随着世界各地城市扩大自行车道网络，越来越多的自行车手走上街头，自行车事故和潜在碰撞的几率也在增加，这突显出在人口密集的城市地区，对骑车进行适当安全的必要性。
根据世界卫生组织2020年的一份报告，在报告的自行车相关死亡和长期残疾中，60%以上是头部受伤事故造成的。
新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）的研究人员与法国特种材料领导者阿科玛（Arkema）合作，利用多种材料的组合，开发出更坚固、更安全的自行车头盔。新的头盔原型具有更高的能量吸收，减少了发生事故时传递到骑车人头部的能量，降亚博网站下载低了严重受伤的几率。
在机械和航空航天工程学院副教授梁家辉的带领下，该团队由研究员Bhudolia Somen Kumar博士、研究助理Goram Gohel和理学硕士学生Elisety Shanmuga组成，设计了一种复合头盔，其外壳主要由新型丙烯酸热塑性树脂制成，用碳纤维加固。
新的热塑性树脂，命名为Elium®是由台大的工业伙伴之一阿基玛公司开发的。台大团队与阿基玛公司的工程师合作，开发了Elium的成型工艺®制造更坚固的自行车头盔。
“我们与Arkema的合作是为了开发一种新型头盔，为骑自行车的人提供更坚固、更安全的头盔。”梁教授说。“头盔一次又一次地被证明在降低受伤严重程度和死亡人数方面起着至关重要的作用。我们的原型头盔经过了一系列国际基准测试，与传统头盔相比，它能够为骑自行车的人提供更大的保护。”
该研究小组的研究结果发表在5月份同行评审的《复合材料B部分:工程》杂志上。
坚硬的外壳吸收更多的能量
自行车头盔由两部分组成。第一种是外壳，通常由大规模生产的塑料（如聚碳酸酯）制成。在它下面是一层发泡聚苯乙烯泡沫——与产品包装和外卖盒使用的材料相同。
外壳设计为在撞击时开裂，以便在头盔的整个表面上耗散能量。然后泡沫层压缩并吸收大部分冲击能量，从而减少传递到头部的能量。
该团队的复合头盔取代了传统的聚碳酸酯外壳，使用了伊利亚元素®碳纤维加固。
这种加固使外壳更坚固，更硬，比聚碳酸酯外壳更不脆。它还增加了头盔的接触时间，这是头盔经历冲击载荷的总冲击时间。
这些特性允许外壳在更长的时间内吸收更多的冲击能量，同时也均匀地分散在整个头盔中。这就减少了到达头部的整体力量，从而降低了重伤的几率。
“当头盔高速撞击表面时，我们注意到，随着复合材料外壳的扩展失效，会出现变形，这意味着外壳承受了更多的载荷，吸收了更多的能量。”萨门博士说。“这就是你真正想要的——外壳吸收的冲击力越大，到达泡沫的冲击力就越小，所以对头部的整体冲击就越小。”我们发现，在现有的聚碳酸酯头盔中，大约75%的能量被泡沫吸收。这并不理想，因为泡沫直接接触到人的头部。”
相比之下，该团队的复合头盔外壳吸收了50%以上的冲击能量，而泡沫吸收的能量则少得多，仅为35%左右。
台大铁砧上锻造的安全装置
研究人员测试了他们的头盔，在三种不同类型的铁砧(平的、半球形的(圆形的)和边石(金字塔形的)上高速行驶，以模拟不同的路况。
这些测试与美国消费品安全委员会标准（CPSC 1203）认证使用的测试相同，CPSC 1203是国际公认的头盔安全标准。该团队的头盔原型符合所有CPSC 1203指南。
研究人员特别关注峰值加速度，这是一种基于头盔在碰撞点移动的速度来衡量其承受的力的方法。头盔的峰值加速度必须小于300G(重力)，才能被认为适合CPSC 1203规定的使用，重力值越低越安全。
在两次平砧测试中，研究人员的头盔与对照组的聚碳酸酯头盔相同，结果为194.7G和197.2G，而对照组为195.4G和198.2G。
然而，对半球形和路沿石铁砧的测试表明，该团队的复合头盔比聚碳酸酯头盔有了实质性的改进。在两次半球形顶锤试验中，复合头盔的峰值加速度分别为100.9G和103.1G，而控制头盔的峰值加速度分别为173G和178.7G。
在一次路石砧测试中，研究人员的头盔的重量为111.7G，比参考头盔的重量(128.7G)有了明显的提高。
研究人员参考了最广泛使用的伤害指标，称为头部伤害标准(HIC)，以计算使用头盔时严重伤害和死亡的概率。HIC值是由加速度峰值和加速度持续时间的组合得到的。
研究小组对平砧测试结果和HIC的分析表明，与聚碳酸酯头盔相比，这种复合材料头盔可以将严重和致命的伤害率分别从28.7%和6%降低到16.7%和3%。
尽管两种头盔的峰值加速度大致相同，但复合材料头盔更坚固的外壳使其在碰撞过程中加速的持续时间更长。这使得外壳能够吸收更多的能量，从而产生更低的HIC，这意味着更低的致命伤害的机会。
更高效的制造可能会带来更便宜、更坚固的头盔
原型头盔也比传统头盔更容易生产。使用Elium®代替其他传统热塑性塑料，简化了复合头盔的制造过程。
Elium®在环境温度下为液体，可在室温下模制，与其他需要高温处理的热塑性复合材料外壳不同。
南洋理工大学的研究人员正与Arkema公司合作，将这种头盔的制造过程商业化，这将允许有兴趣的制造商生产它们。梁家杰表示，通过他们的方法生产的头盔将提供与目前顶级头盔相同的保护，但价格可能与中级头盔(100美元至150美元)相同。
研究人员目前正致力于开发由Elium制成的复合头盔®还有丙纶织物，这是另一种热塑性塑料。这是为了克服复合材料头盔目前的一个权衡，即它们比聚碳酸酯头盔重约20%。
头盔是用伊利昂做的®而丙纶织物有可能使它们和聚碳酸酯织物一样轻，但提供更好的保护。
该团队的研究得到了新加坡科学、技术和研究机构(A*STAR)的支持，这是新加坡研究创新企业2020计划的一部分。亚博老虎机网登录
来源:https://www.ntu.edu.sg/index