CN107636415A

CN107636415A - 复合制品及制造方法

Info

Publication number: CN107636415A
Application number: CN201680033168.XA
Authority: CN
Inventors: M·哈克; L·T·德扎尔
Original assignee: University of Michigan
Current assignee: University of Michigan
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2016-04-29
Publication date: 2018-01-26
Anticipated expiration: 2036-04-29
Also published as: CN107636415B; WO2017014821A2; CA2984160A1; CA2984160C; US11660846B2; EP3289307B1; EP3289307A2; US20180304598A1; EP3289307A4; WO2017014821A3

Abstract

一种多层复合材料，其包括：相邻的填充层和设置在所述相邻的填充层之间的居间层，所述相邻的填充层具有分散在第一聚合物基质内的填充材料。所述居间层包含嵌入第二聚合物基质内的纳米片并且基本上平行于所述相邻的填充层排列。所述居间层被配置为在向多层复合材料施加大于或等于预定的力阈值的力时失效。

Description

复合制品及制造方法

本发明是利用美国陆军实验室授予的合同编号为ARL CA#W911NF-11-2-0017的政府支持做出的。政府在本发明中享有某些权利。

相关技术描述

存在许多场景,其中保护物体免受撞击源影响的能力是期望的。例如，在诸如体育、军事和保安以及职业安全的领域，保护人体部位不受撞击力伤害的能力是重要的。考虑体育运动(特别是橄榄球)中头部保护的具体实例。关于脑震荡对橄榄球运动员的健康影响的争论已引起大量争论。已提出脑震荡和其它类型的与比赛相关的外伤性脑损伤是运动员***和其它退役后症状包括失忆、抑郁和慢性外伤性脑病(CTE)的主要原因。

要么呈现患有CTE的尸体解剖、要么以其它方式具有已报道症状或者已被诊断患有CTE的前橄榄球运动员的名单继续增长。这些问题不仅仅局限于国家橄榄球联盟(NFL)或者其它职业联盟，因为脑震荡和其它类型的与比赛相关的外伤性脑损伤可能在任何级别的体育运动中发生，包括竞技场、娱乐、大学、高中、初中、或甚至青年联赛。例如在2013-2014学年，橄榄球导致比任何其它高中体育运动更多的脑震荡。

医生们已确定中等至高等90多的g-力将会增加脑震荡的风险，尽管被擒抱的职业四分卫将典型地经历接近150的g-力。球场上的所有运动员都有脑震荡的风险，不管他们的位置如何。因此，已经尝试了许多努力以防止脑震荡及其后果。

自2003年以来，Riddell已利用其头部撞击遥测***(HITS)和边线响应***(SRS)来帮助记录在训练和比赛期间运动员撞击的频率和严重程度。已记录了超过180万个撞击点。每个HITS头盔以MX编码器为特征，该编码器自动地记录每一次碰撞。当***检测到特定运动员的可疑撞击曲线(SIP)时，告警页面向医疗或培训人员发出警报。

在2008年，在室内橄榄球联盟的赛季期间使用了被称为“震动计”(由SchuttSports制造)的装置。该震动计是在其粘贴到运动员头盔的侧面上具有粘合剂的三角形物体。当运动员受到超过98的g-力碰撞时，震动计中的小容器将由绿色变为红色。遗憾地是，震动计成本极其高昂，每单位的成本是$1000。从这时起，包括Reebok、mc10和BattleSports的其他公司已开发了类似的装置。例如，在2013年，Reebok开发了头部撞击指示器，其是放置在运动员的头骨上的四分之一尺寸的装置，如果运动员被太猛烈地撞击则该装置启动红色/黄色的灯。

除了监测撞击之外，已进行了各种尝试以修改头盔设计从而减少对个人的动能传递。例如，Kinetica公司具有一些针对不同头盔设计的专利申请公开，包括以下美国公开号：2012/0208032，其描述具有响应外加剪切力而位移的第一层和第二层(即外部滑动层)以及不响应外加剪切力而位移的第三层的头盔；2012/0204329，其描述利用填充流体的容器的头盔；2012/0207964，其描述利用具有分级性质的泡沫结构的头盔；和2012/0204327，其描述利用纳米复合材料的头盔。

在Giles的美国公开号2013/0340147中描述了头盔修改的另一个实例。Giles的公开针对于包含一系列连接线圈和填充材料的头盔。还提出了其它的复合材料头盔，主要地针对于军事/弹道应用，例如在美国公开号2012/0186742中所描述的那些头盔，其针对于氮化硼纳米管的使用；以及与Greenhill AntiBallistics公司的梯度纳米颗粒-碳同素异形体聚合物复合材料相关的那些头盔，其描述于美国公开号2013/027273、2014/0023805和2014/0113086中。

遗憾的是，前述的装置/***仅仅监测或确定何时运动员经历震荡性的撞击。简单来说，前述装置/***没有提供对于损伤或其后果的防护。相反，它们仅仅指示何时应使运动员离开比赛、被监测或者寻求医疗。对于前述的头盔，它们中的许多是过度复杂的并且针对的是不同于橄榄球期间所经历的那些撞击，例如在战斗/战争或车祸期间所经历的撞击。此外，许多这些装置和头盔成本高昂，特别是对于非专业运动员或联盟。此外，在经受重大撞击事件后许多这些头盔必须立刻更换，即它们是不可修复的。

鉴于前述，仍有机会提供使通过撞击传递到制品的力偏转的方法以及提供可用以使通过撞击传递到制品的力偏转的改良复合材料制品。

简要概述

根据一个实施方案，一种多层复合材料包含相邻的填充层和设置在所述相邻的填充层之间的居间层，所述相邻的填充层包含分散在第一聚合物基质内的填充材料，所述居间层包含嵌入第二聚合物基质内的纳米片(nanoplatelet)。所述纳米片基本上平行于所述相邻的填充层排列并且所述居间层被配置为在向多层复合材料施加大于或等于预定的力阈值的力时失效，该失效引起多层复合材料的至少部分层离。

在另一实施方案中，多层复合材料包含多个相邻的填充层和多个居间层，其中所述多个居间层中的至少一个被设置在所述相邻的填充层的每个之间。所述多个居间层中的至少一个被配置为在与所述多个居间层中的另一个不同的预定力阈值下失效。所述多个居间层中至少一个的厚度、纳米片数量、纳米片平均厚度、以及片的平均纵横比可以不同于所述多个居间层中的另一个。所述多个相邻的填充层都可以不含纳米片。

在又一实施方案中，纳米片可以具有以下特征(单独或组合)：小于10纳米的平均厚度；至少100的平均纵横比；0.1至10重量份范围内的存在；和/或存在于具有0.025至2.5毫米范围内的厚度的层内。

在另一个实施方案中，填充材料包含下列至少一种：碳纤维、硼纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维、陶瓷纤维、芳纶纤维、滑石、碳酸钙、粉状矿物、云母、纤维素纤维或玻璃球。

在另一实施方案中，第一聚合物基质和第二聚合物基质包含热塑性或热固性树脂。在一个实施方案中，第一聚合物基质不同于第二聚合物基质。

在又一实施方案中，一件保护性躯干装备(body gear)包含如本文前述的多层复合材料制品。

在另一实施方案中，一种使通过撞击传递到制品的力偏转的方法，包括步骤：提供材料载体层，该材料载体层包括悬浮在其中的纳米片，所述纳米片包括中心部分和周缘，使设置为总体上平行关系的第一层纳米片和第二层纳米片中的纳米片取向，其中设置在第一层中的纳米片被取向为与设置在第二层中的纳米片呈重叠关系，使得设置在第一层中的纳米片的周缘与设置在第二层中的纳米片的中心部分重叠；以及使撞击设置在第一层中的纳米片的中心部分的力偏转到第二层中的纳米片的中心部分，从而为由撞击产生的通过制品传递的力产生曲折路径。

在其它的实施方案中，该方法进一步包括提供多个材料载体层的步骤。可以通过在从撞击产生的力延伸开的方向上包括减少量的设置在其中的纳米片的材料载体层进一步限定所述提供多个材料载体层的步骤。

在又一实施方案中，进一步包括在撞击制品的力偏转时在材料载体层内至少部分层离的步骤。在其它实施方案中，该方法进一步包括材料载体层吸收由撞击传递到制品的力的步骤。

在另一实施方案中，通过用流变力使纳米片取向来进一步限定使纳米片取向的步骤。在又一实施方案中，通过提供具有至少100的平均纵横比的纳米片进一步限定提供包括纳米片的材料载体层的步骤。

在其它实施方案中，该材料载体层可以包含设置在相邻层之间的居间层，所述相邻层包含分散在聚合物基质内的填充材料。在另外的实施方案中，该材料载体层可以包含设置在相邻层之间的居间层，所述相邻层包含分散在聚合物基质内的填充材料。

附图简述

将易于领会本公开的其它优点，因为通过结合附图参考下列详细描述将更好地理解本公开的其它优点，其中：

图1是包括外壳、面罩和夹子的橄榄球头盔的透视图；

图2是从外壳上除去面罩和夹子的图1橄榄球头盔的透视图；

图3是沿图2的3-3线所得的横截面侧视图，示出了本公开的复合材料制品；

图4是复合材料制品的实施方案的分解侧视图；

图5是复合材料制品的其它实施方案的分解侧视图；

图6是复合材料制品的另一实施方案的分解侧视图；

图7是复合材料制品的又一实施方案的分解侧视图；

图8描绘了石墨烯；

图9描绘了石墨烯纳米片；

图10是含纳米片的层的示意图；

图11是经受撞击力的复合材料制品的示意图；

图12是经受撞击力的含纳米片的复合材料制品的示意图；

图13A-C是在示例性含石墨烯纳米片的复合材料制品以及比较制品上的撞击试验结果的示意图；

图14是说明示例性含石墨烯纳米片的复合材料制品以及比较制品的峰值加速度和严重性指数的坐标图。

详细描述

公开了一种复合材料制品。还公开了一种制造复合材料制品的方法。下面描述该复合材料制品并且在进一步下面描述该方法。在接下来的公开中如果不另外特别说明，则附图未按比例绘制。

复合材料制品

参考附图，其中在几个视图中同样的数字表示同样的部件，复合材料制品(下文中称为“复合材料”)以20总体显示。复合材料20可用于各种应用。复合材料20最适用于其中期望能量偏转、扩散或者以其它方式减少动能的应用，特别地复合材料20适用于使通过撞击传递到该复合材料20的力偏转。例如，当被另一运动员或物体(例如冰球)撞击时，复合材料20可用于减少运动员(例如橄榄球运动员)所经受的动能的量。复合材料20也可以有益于防卫或保安人员，他们可能被钝器、子弹或弹片击中。下面进一步描述复合材料20的另外方面和优点。

在图1中，显示了橄榄球头盔22(下文中称为“头盔22”)。头盔22包括外壳24、面罩26和用于将面罩26固定到外壳24的夹子28。虽然没有显示，但头盔22也可以包括任何数量的其它常规头盔特征，例如通气孔/通风孔、衬料、下颌带/罩、带扣/皮带、帽檐、涂料、标记、撞击传感器/监视器、通信装置等等。本公开不限于头盔22的特定构造。此外，还考虑了其它类型的头盔22，例如在其它类型的运动(例如棒球或冰球)中使用的头盔22以及用于防卫(例如警察、消防、保安或军事人员)、车辆应用(例如船只、飞机或陆运工具驾驶员/使用者)和用于工业、制造或建筑应用的头盔22。在一些情况下，可以将头盔22称为安全帽。虽然以头盔的背景描述本发明的实施方案，将理解的是：发明的实施方案可以与为物体提供支持或保护的任何类型制品一起使用，包括鞋子、车辆的撞击区域和经受撞击产生的力的任何制品。虽然本申请通篇讨论头盔，但应理解的是所有这些制品均在本发明的范围之内。

外壳24(其更好地示于图2中)通常包含复合材料20。在另外的实施方案中，外壳24可以基本上由复合材料20组成或者由复合材料20组成，使得其它复合材料被认为在本发明的范围内。虽然没有显示，但外壳24也可以包括一个或多个基底层、一个或多个外层或者它们的组合。常规头盔典型地具有围绕泡沫基底(例如衬料)的外壳。聚碳酸酯(PC)是用于这样的外壳的常见类型的热塑性塑料，但其它类型的热塑性塑料也是适合的。此外，聚氨酯(urethane)和/或泡沫聚苯乙烯是用于这样的泡沫基底的常见类型的泡沫，但其它类型的泡沫也是适合的。头盔22可以模仿任何类型或构造的常规头盔，要不是除任何其它特征以外还存在本公开的复合材料20。

在各种实施方案中，复合材料20是头盔22的最外(或者接近最外的)层。在这些实施方案中，复合材料20类似于Protective Sports Equipment公司制造的“ProCap”。ProCap是半英寸厚的聚氨酯泡沫模具，其可被戴在常规橄榄球头盔的顶部。可以将复合材料20以相似的方式施加/附贴到常规头盔的外壳并且充当例如牺牲性衬料层。也可以将这个概念用于改装其它类型的头盔，例如具有芳纶纤维和/或金属外壳(与例如体育头盔中的热塑性塑料外壳截然不同)的军用头盔。也可以通过各种手段将复合材料20附着于外壳，例如通过胶粘剂、钩环扣、四合扣等等。可以对复合材料20进行涂绘(包括标记)，或者以其它方式装饰(未显示)。为了确定撞击能量，复合材料20也可以包括传感器，或者嵌入复合材料20内，或者安装在外面，或者两者的组合。

在其它实施方案中，复合材料20是头盔22的外壳24。当从头开始制造头盔22时，而不是当用复合材料20改造旧/先前的头盔时，这是常见的。在这些实施方案中，可以用半刚性或刚性基底或者类似的支撑结构(未显示)在内部和/或在外部强化复合材料20。该支撑结构可以是热塑性塑料的壳/层、基质等等。可以将泡沫基底附着在支撑结构之下，如头盔中所常规利用的。在这些实施方案中，为了保护、装饰等目的可以在复合材料20上施加蒙皮(未显示)；然而，蒙皮不是必需的。

在一个实施方案中，复合材料20包括第一层30a、邻近第一层30a的第二层30b、以及设置在第一层和第二层30之间的居间层32。在本文中将第一层和第二层30以及任选地如下所述的一个或多个另外的层30统称为“层30”。因为层30典型地包括填充材料(如下面更详细所述)，在本文中也将层30称为“填充层”。在本文中将居间层32以及任选地如下所述的一个或多个另外的居间层32统称为“居间层32”。居间层32在本领域中也可称为连接层。复合材料20可以具有任何数目的层30以及相应的居间层32，典型地串联取向，居间层32夹在两个层30之间，并且以重复的方式以此继续。层30和相应的居间层32可以直接接触或者彼此间隔，例如经由另外的居间层(未显示)。典型地，层30与居间层32彼此直接接触，如图3中所描绘。

参考图3至7中所示的实施方案，复合材料20具有多个层30和多个居间层32。图3、4和5中显示的复合材料20各自包括四个层30和三个居间层32。具体地，这些复合材料20各自包括第一层30a、第二层30b、第三层30c和第四层30d以及第一居间层32a、第二居间层32b和第三居间层32c。

图6和7中显示的复合材料20各自包括六个层30。这些复合材料20类似于上述的复合材料20，但进一步包括第五层30e和第六层30f。图6中显示的复合材料20进一步包括第四居间层32d和第五居间层32e。

图7中显示的复合材料20进一步包括第一树脂层34a和与第一树脂层34a间隔的第二树脂层34b。树脂层34在本领域中也可被称为粘合胶层。树脂层34各自包含聚合物基质(下面进一步描述)，典型地各自基本上由聚合物基质组成，并且更典型地各自由聚合物基质组成。层30e和30f不同于典型的层30，因为它们不与居间层32而是与树脂层34直接相关联。本公开的复合材料20不限于仅附图中描绘的实施方案并且可以包括层30、居间层32和任选的树脂层34的各种数目、组合和取向。

第一层30a可以包含处在树脂基质内的填充材料。第二层30b也包含处在树脂基质内的填充材料。任何另外的层30(如果存在的话)也包含处在树脂基质内的填充材料。因为许多填充材料提供对树脂基质的强化，也可以将填充材料称为强化材料。填充材料可以包括纤维、颗粒或者它们的组合。在本文中所述的示例性实施方案中，填充材料可以是以天然和/或合成纤维的形式。可以基于要使用的树脂基质、复合材料20的期望特性及其预期用途来选择填充材料。第二层30b和/或任何另外的层30的纤维可以与第一层30a的纤维相同或不同。同样地，第二层30b和/或任何另外的层30的树脂可以与第一层30a的树脂相同或不同。典型地，层30均利用相同的树脂。树脂层34(如果存在的话)典型为与层30相同的树脂。树脂至少部分地围绕纤维。为了清楚，图中没有明确显示单个纤维和树脂。

纤维可以是各种形式。纤维可以是至少部分编织的、至少部分非编织的(以单一方向或者以多方向排列)并且可以包括短纤维和/或长纤维。纤维在本领域中也可被称为强化纤维。纤维典型为本领域所理解的以布料、织物或垫子的形式。可以使纤维排列成单一层片以限定单独层30。作为补充或者作为替代，可以使纤维排列成多个层片或亚层以限定单独层30，所述多个层片或亚层可被层压在一起或者以其它方式附着。

纤维可以具有各种化学成分(chemistries)。纤维可以包括碳纤维、硼纤维、玻璃纤维(即纤维玻璃)、碳化硅纤维、陶瓷纤维和/或芳纶纤维。也可以使用不同纤维的组合。合适的颗粒填充材料的非限制性实例包括滑石、碳酸钙、粉状矿物、云母、纤维素纤维和玻璃球。

在各种实施方案中，每个层30单独地包含碳纤维、硼纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维、陶瓷纤维或芳纶纤维中的至少一种，并且作为替代包含碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维中的至少一种。在另外的实施方案中，至少一个层30包含玻璃纤维；作为替代，大多数层30单独地包含玻璃纤维；并且作为替代，所有的层30单独地包含玻璃纤维。

层30可以各自具有各种厚度。典型地，层30的厚度部分地由纤维形式决定。例如，层30的厚度可以基本上与用以形成层30的布、织物或垫子相同。基于层30的树脂浸渍和固化，厚度变化是可能的。

任选地，可以在层30之间和/或跨层30设置一个或多个结(未显示)以将两个(或更多个)层30的连接在一起。利用结可用于维持在复合材料20的制造和/或使用期间层30的取向。所述结可以位于贯穿复合材料20的各个点，横向地和纵向地。可以由各种材料形成所述结，包括上文关于纤维所述那些，例如玻璃纤维或碳纤维。

居间层32包含聚合物基质和具有片形态的层状纳米颗粒，因此在本文中将其称为层状纳米片36。如本文中所使用的，纳米片是二维的板状结构，其具有几纳米的厚度和范围从100至3,000或更大的纵横比。合适纳米片的非限制性实例包括石墨烯纳米片(有时也称为石墨纳米片)、少层石墨烯/石墨纳米片和层状的铝硅酸盐(也称为纳米粘土)。任何另外的居间层32(如果存在的话)也包含聚合物基质和纳米片36。单独的居间层32的聚合物基质可以彼此相同或不同。典型地，所有居间层32都包含相同的聚合物基质。片36嵌入聚合物基质内。可以将聚合物基质视为所述片的载体，因此也可将层32称为载体层，不管它们是否设置在另外的相邻层之间。将理解的是，根据使用的材料以及在组装所述层中使用的方法，可以存在载体材料和/或片与相邻材料层的混合。为了清楚，图中没有明确地显示聚合物基质。

在各种实施方案中，聚合物基质包含至少一种类型的树脂，要么热固性塑料要么热塑性塑料，预期不同于复合材料。典型地，该树脂是区别于热塑性塑料的热固性塑料。

在某些实施方案中，聚合物基质包含树脂。在这些实施方案中，该树脂可以与层30所用的树脂相同或不同。如果相同，那么该树脂典型地贯穿复合材料30是一致的。这经常随某些制造方法而发生，例如随树脂转移模塑。树脂典型为固化状态或者以其它方式凝固的状态，但可以在复合材料20的制造期间当处于未固化状态或其它液体状态时使用该树脂。例如，可以在液体(或凝胶)形式时使用树脂以制造复合材料20。树脂固化从而形成复合材料20。在某些实施方案中，在制造复合材料20之前纤维不含树脂，即它们是干燥的。在其它的实施方案中，在制造复合材料20之前纤维有可能包括一定数量的树脂，在本领域中这样的纤维典型被称为预浸料。如果使用预浸料，在复合材料20中树脂的不同组合是可能的。

可以使用各种类型的树脂以形成层30和在前述实施方案中的居间层32。在某些实施方案中，树脂单独地包含环氧树脂、聚酯树脂、乙烯酯树脂或形状记忆聚合物(SMP)树脂中的至少一种，并且作为替代为环氧树脂或聚酯树脂中的至少一种。树脂可以包括一种或多种常规添加剂，例如固化催化剂和/或填充剂。树脂可以在环境温度或室温下固化。任选地，在复合材料20的制造期间可以施加热量以促进树脂的固化。例如，可以在压力机、烘箱或高压釜中固化复合材料20。

可以按不同的量使用树脂。典型地按足以在复合材料20的制造期间至少浸渍(或浸透)纤维的量使用树脂。可以使用另外的树脂以修饰复合材料20的外表面。例如，如果需要，可以使用另外的树脂以提供复合材料20的显示表面。在闲置期间经常用脱模剂、凝胶涂料、树脂和/或其它模内涂料(IMC)预涂覆工具或模具表面。可以根据需要或需求选择树脂的量，并且本领域技术人员能够通过常规实验容易地确定复合材料20的合适的树脂量。

在其它实施方案中，聚合物基质包含不同于树脂的热塑性塑料。可以使用各种类型的热塑性塑料以形成居间层32。也可以使用热塑性塑料的共混物。可以根据需要或需求选择热塑性塑料的量，并且本领域技术人员可以通过常规实验容易地确定用于复合材料20的热塑性塑料的合适量。热塑性塑料典型地是处于凝固状态，但在复合材料20的制造期间能够在熔融状态或其它液体状态时使用该热塑性塑料。例如，可以在熔融时使用热塑性塑料以制造复合材料20。作为替代，可以按固体形式(例如薄片或膜)使用热塑性塑料以制造复合材料20。认为将热塑性塑料用于居间层32的实施方案允许在撞击和层离事件后修理复合材料20的可能性。

在一个示例性的实施方案中，纳米片36可以为石墨烯纳米片的形式。如本领域技术人员所理解的，石墨烯可以包括致密堆垛在蜂窝状晶格中的sp²-键合碳原子的单一平面薄片。例如，石墨烯可以类似由碳原子和它们的键构成的原子级六角形网眼丝网(chickenwire)，如图8中所示。石墨烯中的碳-碳键长度是约0.142纳米(nm)。虽然完美的石墨烯可以仅包括六角形晶胞，但缺陷可被引入从而产生非平面的形状。在图9中说明了石墨烯纳米片36的简化结构。石墨烯纳米片在本领域中被理解并且典型地包含一个或多个石墨烯薄片的堆叠，其具有小于100nm的高度和大于其高度的宽度。这样的堆叠可以包括两个、三个、四个、五个或更多个石墨烯薄片。

如本文中所使用的，纳米片36具有小于10nm的厚度尺寸，例如纳米片36具有小于10nm的平均厚度。典型地，层状纳米片36包含纳米硅酸盐或石墨烯纳米片的层。

在各种实施方案中，纳米片36具有小于约10纳米、作为替代小于约75纳米、作为替代小于约50纳米和作为替代小于约25纳米的平均厚度。此外，纳米片36典型地具有大于约100、作为替代大于约350和作为替代大于约500的平均宽度对平均厚度的比率(W:T，也称为纵横比)。该W:T比率也可以超过1000或甚至2500或更大。该W:T比率也可以更大或更小，并且在纳米片36中可以有各种模式的窄或宽的颗粒尺寸分布。

在各种实施方案中，纳米片36以多个排列的平面(或平面方式)连续地或者不连续地分散在居间层32中。纳米片36的排列的平面基本上平行于层30，如图3至7中所示。在复合材料20的制造期间可以用这种方式使纳米片36取向。这类取向可以仅根据结构发生或者被有目的地赋予，例如通过施加技术。例如，当将纳米片36刷、抹或以其它方式施加到基底上时，可以通过赋予纳米片36的流变力使纳米片36取向。将理解的是可以发生自然变异和/或缺陷，使得每个居间层32中的一些小比例的纳米片不与层30平行排列。

居间层32中的纳米片36在撞击期间提供至少一些水平的受控或可预测的复合材料20层离。如本文中所使用的，层离指的是复合材料的相邻层的分离。直接撞击通常垂直于复合材料20，然而切向撞击通常是任何小于垂直于复合材料20。也可以将直接撞击称为刺穿撞击。也可以将切向撞击称为掠射撞击。具体而言，认为由直接或切向撞击复合材料20引起的动能经由纳米片36沿着居间层32被至少部分吸收和横向重新定向。

图10图解说明穿过示例性的居间层32的能量分散。将理解的是，提供图10仅为了讨论的目的而并不意图以任何方式限制。居间层32包括分散在遍及居间层32的多个层中的多个纳米片36。施加到居间层32的撞击力F(如箭头100所示)传递动能至居间层32(如箭头102、104和106所示)。如箭头102、104和106所示，来自撞击力F的动能沿最小阻力路径传播穿过居间层32。选择纳米片36的尺寸、数量和分布，使得居间层32内的多个层中的至少一些纳米片36至少部分地重叠。如图解所示，一些纳米片36的周缘与居间层32内另一层的纳米片36的中心部分至少部分地重叠。由此，阻止动能102、104、106以直线行进直接穿过居间层32，而是在能量分散时被横向重新定向。以这种方式，纳米片36产生曲折路径，来自撞击力F的动能通过该曲折路径传播穿过居间层32。可以将动能的曲折路径可视化为穿过居间层中的聚合物基质行进直至遇到纳米片。动能最可能行进阻力最小的路径从而沿纳米片的中心部分横向行进至纳米片的周缘。一旦越过纳米片的周缘末端，穿过聚合物基质的最小阻力路径继续横向行进和/或改变方向回到撞击力的方向直至遇到另一个纳米片从而该过程重复。

配置居间层32内的纳米片的尺寸、数量和/或分布以便使动能传播在居间层32内多次重新取向。以这种方式，选择在给定层内和在复合材料的不同居间层32内的纳米片的加载量以削弱给定的单独或累积的撞击力。此外，也可以选择基质(其内嵌入纳米片36)相对于纳米片36的刚度以影响穿过居间层32的能量传播。

再次回到图3-7的示例性多层复合材料20，来自撞击力的动能传播穿过第一层30a并且冲击第一居间层32a中的纳米片36，所述纳米片36进而使至少一些动能沿居间层32横向地重新定向而不是允许其全部穿过复合材料20，如上文关于图10图解所述。这种吸收和重新定向现象在穿过第二居间层32b时重复并如此继续。动能的数量可以使得在撞击时立即发生复合材料20的层离，或者当经受许多次较小撞击时随着时间过去而发生复合材料20的层离。以这种方式，层离可以是导致累积撞击力的预定次数撞击的随时间累积的结果。复合材料20的一个或多个层30的层离通常是能量吸收/重新定向的指示。典型地，复合材料20将经由一个或多个居间层32的内聚失效而层离，随着它们吸收和/或重新定向动能从纳米片36的表面处或者在纳米片36表面的周围开始。复合材料20内的粘结失效也是可能的，但典型地次于内聚失效。如本文中所使用的，内聚失效是指居间层32的本体内的失效，而粘结失效是指在相邻层之间的界面处的失效。可以配置所述一个或多个居间层32中的每一个以便当满足预定的最小撞击力阈值时发生内聚失效，使得复合材料20的至少部分层离发生。当累积的撞击力或者单独的撞击力具有等于或大于阈值力的量级时满足预定撞击力阈值可以发生。复合材料20的至少部分层离提供了等于或超过预定力阈值的撞击已经发生的指示。

图11和12示意性地比较了撞击力对不包括纳米片的复合材料220以及包括纳米片的类似复合材料320的影响。将理解的是，提供图11和12的图解仅用于讨论目的而不一定表示实际数据。图11说明由提供在基底210上的传统复合材料220制成的制品200。复合材料220可以是以包含多个填充层230(类似于图3-7的填充层30)的层压材料的形式，所述填充层与非填充层240交替。图12说明由复合材料320和类似于图11的基底310制成的制品300，区别在于复合材料320包括上文关于图3-7的居间层32所述的含纳米片336的居间层332，与填充层330交替而不是非填充层240。

首先参考图11，当物体250以箭头252指示的方向上的力F撞击复合材料220时，能量传递到复合材料220，其能够潜在地透入和穿过复合材料220和/或基底210。通过影响锥260来定义力F穿透和可能破坏复合材料220及基底210的程度，所述影响锥根据诸如以下因素而变化：撞击物体的尺寸、撞击的力、以及复合材料220和基底210的特性。在图11所示的实例中，影响锥260延伸穿过复合材料220和基底210，这意味着撞击延伸穿过制品200从而可被受制品200保护的物体感觉到。在由制品200制成的橄榄球头盔的示例性实施方案中，延伸穿过复合材料220和基底210的撞击力能够潜在地导致戴头盔的人员的头部损伤。

相比之下，如图12中所示，当具有与图11的物体250相同的特性和撞击力F的物体350以箭头352所示方向撞击制品300时，制品300的影响锥360显著不同于制品200的影响锥260。如上文关于图10所述，复合材料320中的纳米片336可以使来自撞击力F的动能的传播重新定向横向穿过居间层332，这能够减小影响锥360延伸穿过制品300的程度。因此，对于给定的撞击力，与不包括纳米片的复合材料220相比，含纳米片的复合材料320减少或甚至消除对基底310的能量穿透和损伤。

纳米片36以各种量存在于居间层32中，在各种实施方案中，纳米片36在居间层32中的各自存在量为不大于约10pbw、作为替代不大于约5pbw、并且作为替代为约0.1至约5pbw，基于100pbw的居间层32。

再次参考图4至7，纳米片36可以按相同或不同的量分配在各个居间层32中。例如，纳米片36在第二居间层32b中的存在量与第一居间层32a大致相同或不同。纳米片36在第三居间层32c中的存在量与第一居间层32a大致相同或不同。此外，纳米片36在第三居间层32c中的存在量与第二居间层32b相同或不同，以此类推。

总体上，在复合材料20中使用纳米片36的不同加载量梯度。例如，在图4中，居间层32的每一个具有大致相同数量的纳米片36，例如～2wt.％，而图5中的复合材料20具有纳米片36的梯度，例如～4wt.％、～2wt.％和～1wt.％。图6中的复合材料20具有纳米片36的对称梯度，例如～4wt.％、～2wt.％、～1wt.％、～2wt.％和～4wt.％。

除树脂层34之外，图7中的复合材料也具有纳米片36的对称梯度，例如～2wt.％、～1wt.％和～2wt.％。例如，层30e和30f可以是而层30a至30d可以是纤维玻璃。作为替代，所有的层30是相同的，例如纤维玻璃。虽然未显示，但纳米片36的逆反梯度也是可能的，其在最中间具有更高的加载量，相对于复合材料20的最外面的居间层32。还考虑在一个或多个居间层32中具有纳米片36的横向梯度(未显示)。鉴于前述，将理解的是，各种构造和组合是可能的并且本公开不限于仅本文中特别描述或说明的那些。

认为操纵居间层32中的纳米片36的数量/加载量允许调节复合材料20以便在撞击时以可预测的方式失效，例如通过沿至少一个居间层32部分地乃至完全地层离。还认为失效的可能性随着居间层32中纳米片36的数量增加而增加。这样是不错的，反而是设计，因为一个或多个居间层32的层离或内聚失效表明沿居间层32动能横向地重新定向，而不是允许动能刺入复合材料20(因此传递到在下方的个人或使用者)。例如，每个居间层32可以具有相同的纳米片加载量，如图4中所示，使得每个居间层32在相同的撞击力阈值下失效。作为替代，纳米片加载量可以从复合材料20的外部层向内部层减少，例如图5中所示，使得外部居间层32首先通过层离失效。

也可以选择另外的特性(例如纳米片36的纵横比)以配置复合材料20，使得其以可预测的方式通过层离失效。一般来说，具有高纵横比的纳米片36比具有小纵横比的纳米片36更好地促进居间层32内的动能横向偏转，这增加通过该层消散的动能的量。此外，在感兴趣的力范围内，具有高纵横比纳米片36的居间层32比具有小纵横比纳米片36的类似居间层32更有可能通过层离失效。因此，选择每个居间层32中的纳米片36的纵横比以便提供期望数量的动能偏转和/或以便控制每个居间层32的层离。

由此，通常减少了利用复合材料20的个人所经历的动能数量以及因此撞击力。不限于任何特定理论，认为本公开的复合材料20通常减少动能至少约5％、作为替代至少约10％、作为替代至少约20％、作为替代至少约30％、作为替代至少约40％。应理解的是，能量减少可能不在所有情形中发生，因为撞击事件本质上是随机和不可预测的。

居间层32可以各自具有各种厚度。典型地，居间层32的厚度在某种程度上由居间层32中存在的纳米片36数量和使用的制造技术控制。在某些实施方案中，居间层32具有不大于约2.5、作为替代不大于约0.25、作为替代约0.025至约0.25毫米(mm)的单个平均厚度。

典型地，至少一个层30不含纳米片36，作为替代大部分的层30不含纳米片36并且作为替代所有的层30都不含纳米片36。简单而言，纳米片36通常仅存在于居间层32中并且通常不存在于层30中。认为复合材料20的这个方面允许层离的更好可预测性或控制。

方法

形成常规复合材料所利用的各种方法也可用于制造本公开的复合材料20。此类方法的实例包括但不限于：手工涂敷、喷射涂敷、压力(或真空)袋模塑、气囊模塑、压力压机模塑、高压釜模塑、热成型、热-液压成形、树脂转移模塑(RTM)和它们的组合。在各种实施方案中，经由RTM形成复合材料20。在其它实施方案中，经由真空袋模塑形成复合材料，利用任选的压力机、烘箱和/或高压釜固化。这些方法是本领域普通技术人员所理解的。

在某些实施方案中，复合材料20通常由以下示例性方法制成。该方法包括步骤I)提供基底块、树脂、纳米片和工具表面。基底块各自具有前侧和后侧。基底块包含如上所述的纤维并且可以是例如织物、薄片或垫子的块。树脂和纳米片也如上所述。工具表面可以是任何类型的，并且能够由各种材料形成。该工具在本领域中也可称为模具或芯棒。

该方法进一步包括步骤II)将基底块设置在工具表面上，使得基底块的后侧在工具表面的对面。可以通过自动操作或者手工设置基底块。任选地，可以在设置基底块之前预备工具表面。例如，可以将脱模剂、凝胶涂料、树脂和/或其它IMC施加到工具表面以防止复合材料20的粘附和/或提供复合材料20的显示表面。

该方法进一步包括步骤III)向基底块的后侧施加纳米片以形成涂覆侧。可以用各种方式施加纳米片。在某些实施方案中，以溶液形式提供纳米片。该溶液包含溶剂和纳米片。

如此，可以将III)施加纳米片定义为III)施加溶液。可以用各种方式施加溶液。在各种实施方案中，通过刷子、辊子、喷雾器或喷墨头中的至少一种施加溶液。在具体的实施方案中，通过刷子施加溶液，其可用于使纳米片在基底块的后侧上取向。此外，可以将纳米片混合到热塑性膜中，可以将该热塑性膜层压到层上或层之间。

纳米片可以按各种量存在于溶液中。在某些实施方案中，纳米片的存在量不大于约10重量份、作为替代不大于约5重量份、并且作为替代为约0.1至约5重量份(pbw)，基于100pbw的溶液。可以使用各种类型的溶剂，例如醇。溶剂典型为在环境温度或提高的温度下能容易地被闪蒸的类型。这防止溶剂残留和在制造或使用期间潜在地干扰复合材料20的剩余部分。

在某些实施方案中，在III)施加纳米片之前将至少一部分树脂施加到基底块。可以用各种方式将树脂施加到基底块，包括上面关于溶液所述的那些，或者以与其它制造方法相关的方法。作为补充或作为替代，树脂可先前已被施加，使得一个或多个基底块是预浸料。

该方法进一步包括步骤IV)将随后的基底块设置到基底块的涂覆侧上以形成层压材料。该层压材料具有包含基底块和居间层的层，所述居间层包含纳米片。该层压材料可以包括树脂或者可以还未包括树脂。如果使用溶液，则该方法典型地进一步包含在IV)设置随后的基底块之前从基底块的涂覆侧基本上闪蒸溶剂。溶剂的闪蒸可以利用环境条件发生和/或利用热量施加使其加快。

对于层压材料的任何另外的层和/或居间层可以重复步骤III)和IV)。例如，图4中显示的复合材料20可以具有重复两次的步骤III)和IV)以赋予第三层和第四层30以及第二和第三居间层32。同样，图6中显示的复合材料20可以具有重复四次的步骤III)和IV)。

该方法进一步包括步骤V)将树脂施加到基底块和/或层压材料以形成预成形体。可以用各种方式将树脂施加到基底块，包括上文关于溶液所述的那些，或者以与其它制造方法相关的方式。例如，可以通过刷子或辊子施加树脂。作为补充或作为替代，可以经由RTM将树脂施加到层压材料。

该方法进一步包括步骤VI)使预成形体固化以制造复合材料制品20。可以用各种方式固化预成形体。例如，环境条件可足以使预成形体固化以制造复合材料20。典型地，为了加快树脂的固化，在VI)固化期间向预成形体施加热量和/或压力中的至少一种。可以通过本领域理解的各种手段实现热量和/或压力的施加，例如与压力(或真空)袋模塑、气囊模塑、压力压机模塑、高压釜模塑或树脂传递模塑(RTM)相关的那些。

在各种实施方案中，该方法进一步包含在VI)固化预成形体之前提供不同于该树脂的热塑性塑料和在基底块之间设置热塑性塑料。热塑性塑料可以是液体(即熔融)或固体形式。如果为液体，则可以用各种方式施加所述热塑性塑料，包括上文关于溶液所述的那些，以及经由其它方式，例如经由挤压、薄片轧制等等。热塑性塑料也可以是固体，例如薄片或膜的形式。

在某些实施方案中，经由热塑性塑料将纳米片施加到基底块的后侧。具体地，在III)向基底块的后侧施加纳米片之前可以经由热塑性塑料施加纳米片。用这种方式，热塑性塑料可以充当纳米片的液体或固体载体。例如，热塑性塑料可以是熔融的并且可以将纳米片分散在其中以形成混合物。然后可以将该混合物施加到基底块的后侧。作为另一个实例，热塑性塑料可以是固体(例如薄片)并且可以将纳米片施加到该薄片(例如单独地或在溶液中)。在期望复合材料20的定制敷设的情形中这些实施方案可以是有用的，具有在层离事件之后修复的选项。

在某些实施方案中，在形成预成形体之前将至少一部分树脂施加到随后的基底块。可以用各种方式将树脂施加到随后的基底块，包括上文关于溶液所述的那些，或者以与其它制造方法相关的方式。作为补充或作为替代，树脂可先前已被施加，使得随后的一个或多个基底块是预浸料。

除了上面的各种陈述之外，下面的陈述意图进一步说明而非限制本发明。此外，不应将本文中的陈述作为消除、减少或以其它方式防止复合材料20的使用者(或者与之相关的个人)受伤害的可能性的保证。

实施例

根据ASTM国际标准D7136/D7136M的修改版，使用在平坦饰板样品上进行的撞击试验研究了石墨烯纳米片对复合材料的能量消散特性的影响。在由以下组成的平坦饰板上进行撞击试验：(a)含有结合至聚碳酸酯基底的涂覆石墨烯纳米片的4层玻璃纤维层压材料的复合材料；(b)含有结合至聚碳酸酯基底的无石墨烯纳米片的4层玻璃纤维层压材料的复合材料；和(c)聚碳酸酯主体。

通过切割玻璃纤维试样(swatch)至合适的尺寸并且记录每个试样的重量制备样品。对于石墨烯纳米片复合材料的制备，用丙酮冲洗接着用漆刷施加石墨烯纳米片在丙酮中的涂料来制备玻璃纤维试样的表面。将涂覆石墨烯纳米片的样品放在60℃烘箱中以闪蒸溶剂。从烘箱中移出涂覆的样品，使其冷却并然后称重以确定石墨烯纳米片加载量。制备样品具有2.5和5重量％(wt.％)的石墨烯纳米片加载量。使用SC15树脂(可获自AppliedPoleramic Inc.,USA的双组分环氧树脂)通过手工涂敷将涂覆的纤维试样施加到聚碳酸酯基体并然后固化。使涂覆的纤维试样分层，使得涂覆石墨烯纳米片一侧面向聚碳酸酯基底。最终的石墨烯纳米片复合材料样品由在聚碳酸酯基体上的4层涂覆玻璃纤维试样组成。为了比较，以相同方式制备玻璃纤维复合材料样品，区别在于跳过石墨烯纳米片涂覆步骤。

以类似于ASTM国际标准D7136/D7136M中所述的方式对样品进行试验，区别在于使用2英寸直径的压头代替标准中要求的0.625英寸压头。选择更大直径的压头以更精确地反映更加接近橄榄球比赛中运动员可能经历的等级的物体撞击。以67焦耳(～2.3m/s)和133焦耳(～3.5m/s)对样品进行测试。

在用压头撞击后目测检查每个样品以确定通过聚碳酸酯基底展示的变形的程度。在这两种条件下，石墨烯纳米片复合材料样品在两种加载重量下都表现出比没有石墨烯纳米片的复合材料样品和单独聚碳酸酯基底更少的变形。图13A-C图解说明了单独聚碳酸酯基底、具有石墨烯纳米片的复合材料样品以及含石墨烯纳米片的复合材料样品各自之间的差异。在图13A中可以看出，对于由聚碳酸酯基底单独组成的样品400，在133焦耳时观察到具有“碗”状凹陷402的严重变形。没有石墨烯纳米片420的玻璃纤维复合材料样品在133焦耳时表现出一些变形422(图13B)，然而显著地小于由单独聚碳酸酯基底所表现的。出乎预料地，如图13C中所示，含石墨烯纳米片的复合材料样品430表现出最少量的变形432，其在复合材料的表面上几乎不可见。平坦饰板撞击试验的结果说明含石墨烯纳米片的复合材料横向消散撞击能量同时也保护下方基底(在该情形中为聚碳酸酯基底)的能力。

图14示出了比较石墨烯纳米片层对于在头盔坠落试验中测量的峰值加速度和严重性指数(SI)的影响的结果。对由以下组成的头盔进行坠落试验：(a)含有结合至聚碳酸酯基底的涂覆石墨烯纳米片的4层玻璃纤维层压材料的复合材料(“GnP+GFRP+PC”)；(b)含有结合至聚碳酸酯基底的无石墨烯纳米片的4层玻璃纤维层压材料的复合材料(“GFRP+PC”)；和(c)聚碳酸酯主体(“PC”)。

试验的每个样品头盔由聚碳酸酯主体组成，所述聚碳酸酯主体被成形为橄榄球头盔的一般形状。预切割玻璃纤维试样以允许模塑到聚碳酸酯头盔主体上。按照与上文关于平坦饰板试验所述相同的方式使用预切割试样制备具有和没有石墨烯纳米片的复合材料。使用SC15树脂(可获自Applied Poleramic Inc.,USA的双组分环氧树脂)通过手工涂敷过程将具有和没有石墨烯纳米片涂层的玻璃纤维试样施加到聚碳酸酯头盔主体，并然后固化。对于石墨烯纳米片试验头盔，居间层中的石墨烯纳米片加载量是1.5wt.％。

根据美国体育器材标准组委会(NOCSAE)的标准(ND)001-13m13进行头盔坠落试验。从铁砧上方4.5英尺的坠落高度将每个头盔坠落三次，在前方突起位置处发生碰撞。使用三轴加速度计收集坠落试验期间的数据并且对于测试的每个头盔的1次代表性运行根据NOCSAE推荐计算峰值加速度和严重性指数(SI)。按照NOCSAE推荐，忽略超过第一峰值(～5ms)的数据。

按照NOCSAE标准(ND)001-13m13，严重性指数(SI)是关于当被撞击时头模经历的瞬时加速度的撞击严重性的量度。在撞击期间测量的可接受严重性指数水平不能超过NOCSAE标准性能规范中规定的极限。严重性指数(SI)被定义为在以秒计的时间增量方面加速度脉冲的主要持续时间T内的A^2.5的积分。A被定义为以g(重力加速度)的倍数表示的瞬时总加速度。为了电子数据采集的目的，在***启动之后但在初始信号上升超过4g之前积分开始；当信号达到峰值之后其降到4g以下时积分结束。

对于试验的每个头盔计算峰值加速度数据和严重性指数(SI)：聚碳酸酯主体单独(PC)、含石墨烯纳米片的层压材料头盔(GnP+GFRP+PC)和没有石墨烯纳米片的层压头盔(GFRP+PC)。将数据关于聚碳酸酯头盔(PC)归一化并然后表达成相比于聚碳酸酯头盔(PC)的提高百分比。如图15中所示，含石墨烯纳米片的层压材料与简单的聚碳酸酯主体相比提高峰值加速度超过15％并且提高严重性指数(SI)大于30％。石墨烯纳米片头盔(GnP+GFRP+PC)的峰值加速度和严重性指数(SI)的提高百分比大于利用不包括石墨烯纳米片的层压材料(GFRP+PC)所见的提高百分比的两倍。

产业应用性和优势

复合材料20适用于控制动能的方向，即横向相对于透入。纳米片36有利于调用失效机理(即层离)以使复合材料20在撞击时以可预测的方式运行。在将热塑性塑料用于居间层32的实施方案中，可以通过再次熔化热塑性塑料以修正与居间层32相关的任何内聚(或粘合)损坏来修复或修理复合材料20。石墨烯纳米片通常与微波反应，并且能充当热塑性塑料的局部熔化的吸热部(sink)。这允许复合材料20的受控且快速的修理而不损坏或妨碍复合材料20的其它部分。例如，可以在层离事件之后在运动场边线上修复该复合材料20。

如上所介绍的，可以将复合材料20作为外层添加到现有的头盔或者添加到新头盔。复合材料20通常允许头盔22发生多次撞击/碰撞，能够使能量从个人的头骨转移开(例如降低脑震荡的可能性)，可以防止弹体穿透，并且可以是可修复的/可再修理的(特别是对于低速度撞击)。

通过本公开的复合材料20在现有头盔和新头盔中增加能量吸收/转移在体育产业市场中有立即的用途。此外，防止弹体穿透的可能性对于防御应用也有宽广的应用范围。此外，许多常规头盔在一次撞击事件/碰撞之后被更换，因为结构完整性成问题。本文中的各种复合材料20实施方案允许修理从而允许将头盔22使用多次。对于低速度撞击/碰撞，相同的头盔22可被修理多次。可以按类似于上文关于头盔22所述的方式将复合材料20用于其它类型的保护性躯干装备，其非限制性实例包括防护背心、护胸、护面罩、护腿和护目镜。

复合材料20不限于头盔，而是可用于其中期望撞击能量消散的各种应用。替代性应用的非限制实例包括体育、军事、保安或医疗原因的保护躯干装备，鞋类，车辆部件和建筑要素(例如内墙或外墙和隔墙)。

应理解的是，所附权利要求不限于详细描述中所述的明确和特定的化合物、组合物或方法，它们可在落入所附权利要求的范围内的特定实施方案之间变化。对于本文中为了描述各种实施方案的特定特征或方面所依赖的任何马库什组，应理解的是可从各自马库什组的每个成员获得不同、特别和/或出乎预料的结果，独立于所有其它马库什成员。马库什组的每个成员可被单独地或组合地依赖并且为所附权利要求的范围内的具体实施方案提供充分的支持。

还应理解的是，在描述本发明的各种实施方案时所依赖的任何范围和子范围独立地且总体地落在所附权利要求的范围内，并且应被理解为描述和考虑包括其中的全部值和/或部分值的所有范围，即使这样的值未被明确地写在本文中。本领域技术人员容易地认识到充分描述和支持本发明的各种实施方案的枚举范围和子范围，并且可以将这样的范围和子范围进一步划分为相关的二分之一、三分之一、四分之一、五分之一，以此类推。仅举一个实例，“0.1至0.9”的范围可被进一步划分为下部三分之一(即0.1至0.3)、中间三分之一(即0.4至0.6)和上部三分之一(即0.7至0.9)，它们单独地和总体地处在所附权利要求的范围内，而且可以被单独地和总体地依赖以及对所附权利要求范围内的具体实施方案提供充分支持。此外，关于定义或修饰范围的用语，例如“至少”、“大于”、“小于”、“不超过”等，应理解的是这样的用语包括子范围和/或上限或下限。另举一例，“至少10”的范围内在地包括从至少10至35的子范围、10至25的子范围、25至35的子范围等等，而且每个子范围可被单独地和/或总体地依赖以及为所附权利要求范围内的具体实施方案提供充分支持。最后，公开的范围内的单独数字可被依赖以及为所附权利要求范围内的具体实施方案提供充分支持。例如，“1至9”的范围包括各个单独的整数(例如3)以及包括小数点(或分数)的单独数字(例如4.1)可被依赖以及为所附权利要求范围内的具体实施方案提供充分支持。

本文已经以说明性方式描述了本发明，并且应理解的是所用的术语意图是描述词语性质而不是限制性的。根据上述教导，本发明的许多修改和变化是可能的。可以按与所附权利要求范围内具体描述方式不同的方式实施本发明。本文中明确地考虑了独立权利要求和从属权利要求(不但单项从属而且多项从属)的所有组合的主题。

Claims

1.一种多层复合材料，该多层复合材料包含：

相邻的填充层，其包含分散在第一聚合物基质内的填充材料；和

设置在所述相邻的填充层之间的居间层，所述居间层包含嵌入第二聚合物基质内的纳米片；

其中所述纳米片基本上平行于所述相邻的填充层排列，并且

其中所述居间层被配置为在向该多层复合材料施加大于或等于预定的力阈值的力时失效，所述失效引起该多层复合材料的至少部分层离。

2.如权利要求1中所述的多层复合材料，进一步包含多个相邻的填充层和多个居间层，其中所述多个居间层中的至少一个被设置在所述相邻的填充层的每个之间。

3.如权利要求2中所述的多层复合材料，其中所述多个居间层中的至少一个被配置为在与所述多个居间层中的另一个不同的预定力阈值下失效。

4.如权利要求2中所述的多层复合材料，其中所述多个居间层中至少一个的纳米片数量、纳米片平均厚度、纳米片平均纵横比以及厚度不同于所述多个居间层中的另一个。

5.如前述权利要求任一项中所述的多层复合材料，其中所述多个相邻的填充层都不含所述纳米片。

6.如权利要求1中所述的多层复合材料，其中所述纳米片具有小于10纳米的平均厚度。

7.如权利要求1中所述的多层复合材料，其中所述纳米片具有至少100的平均纵横比。

8.如权利要求1中所述的多层复合材料，其中所述纳米片在居间层中的存在量在0.1至10重量份的范围内。

9.如权利要求1中所述的多层复合材料，其中所述居间层具有0.025至2.5毫米范围内的厚度。

10.如权利要求1中所述的多层复合材料，其中所述填充材料包含下列至少一种：碳纤维、硼纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维、陶瓷纤维、芳纶纤维、滑石、碳酸钙、粉状矿物、云母、纤维素纤维或玻璃球。

11.如权利要求1中所述的多层复合材料，其中第一聚合物基质和第二聚合物基质包含热塑性或热固性树脂。

12.如在权利要求11中所述的多层复合材料，其中第一聚合物基质不同于第二聚合物基质。

13.如权利要求1中所述的多层复合材料，其中所述纳米片选自于包含如下的组：石墨烯纳米片、石墨纳米片、少层石墨纳米片、少层石墨烯纳米片、层状铝硅酸盐和纳米粘土。

14.一件保护性躯干装备，其包含如前述权利要求任一项所述的多层复合材料制品。

15.一种使通过撞击传递到制品的力偏转的方法，包括步骤：

提供材料载体层，该材料载体层包括悬浮在其中的纳米片，所述纳米片包括中心部分和周缘；

使设置为总体上平行关系的第一层纳米片和第二层纳米片中的纳米片取向，其中设置在第一层中的纳米片被取向为与设置在第二层中的纳米片呈重叠关系，使得设置在第一层中的纳米片的周缘与设置在第二层中的纳米片的中心部分重叠；以及

使撞击设置在第一层中的纳米片的中心部分的力偏转到第二层中的纳米片的中心部分，从而为由撞击产生的穿过制品传递的力产生曲折路径。

16.如权利要求15中所述的方法，进一步包括提供多个材料载体层的步骤。

17.如权利要求16中所述的方法，其中通过在从撞击产生的力延伸开的方向上包括减少量的设置在其中的纳米片的材料载体层进一步限定所述提供多个材料载体层的步骤。

18.如权利要求15中所述的方法，进一步包括在撞击制品的力偏转时在材料载体层内至少部分层离的步骤。

19.如权利要求15中所述的方法，其中通过用流变力使纳米片取向来进一步限定使纳米片取向的步骤。

20.如权利要求15中所述的方法，进一步地包括材料载体层吸收由撞击传递到制品的力的步骤。

21.如权利要求15中所述的方法，其中通过提供具有至少100的平均纵横比的纳米片进一步限定提供包括纳米片的材料载体层的步骤。

22.如权利要求15中所述的方法，其中所述材料载体层包含设置在包含分散于聚合物基质内的填充材料的相邻层之间的居间层。

23.如权利要求15中所述的方法，其中所述纳米片选自包含如下的组：石墨烯纳米片、石墨纳米片、少层石墨纳米片、少层石墨烯纳米片、层状的铝硅酸盐以及纳米粘土。