碳纤维复合材料:骨科假肢的理想材料。 |
发布时间:2020-08-31 15:21 | 浏览次数: |
梅尔维尔精美地描述了船长亚哈在追逐大白鲸的甲板上追逐时,木腿发出的Ah,Ah,ck的声音!但是,自亚哈船长以来,人造腿或现今称为假肢的假肢已经发生了根本性的变化。
在过去的5至10年中,在假体生产中使用碳纤维复合材料和轻金属合金是技术上的最大飞跃。现代假肢设备可帮助成千上万的人至少部分补偿其缺失的肢体并过上高质量的生活。一些用户从事体育活动,甚至打破记录。 为什么英特力碳纤维/环氧复合材料在假肢生产中如此成功?什么是决定性因素:材料科学的吸引力,外观,价格,简单的制造工艺或它们的技术优势?为了回答这个问题,我们必须专注于所需的假体规格以及碳纤维复合材料的性能。
5.卫生: 假体中使用的任何材料,除了要具有高强度外,还必须易于清洁,不吸湿,耐腐蚀,耐细菌和真菌感染,耐紫外线,对汗液和盐分不敏感,和化妆品上可接受的 经过固化和洗涤后,环氧树脂不会刺激人体皮肤,并且不会引起过敏。皮肤意外接触假体不会造成任何伤害。碳复合材料具有所有所需的性能。 6.弹性: 在肌肉和肌腱中发现的称为髓磷脂和弹性蛋白的蛋白质的一个重要特征是,它们在稳定状态下就像弹簧一样起作用。几千年来,弹性蛋白是肌腱的主要组成部分,已演变为完美的“胡克式固体”。在施加的应力和所产生的应变之间呈现线性关系的材料称为“霍克固体”。这种材料的例子包括钢弹簧或橡皮筋。袋鼠跟腱中的弹性蛋白就像一个完美的弹簧,使动物能够以相对较少的能量长距离奔跑。每次袋鼠撞到地面时,都会发生弹性碰撞,几乎所有动能都被转化 转化为势能,因此,下一跳跃仅需要少量的附加能量。步行或跑步时,人类利用相同的动能/势能转换。在玻璃,芳族聚酰胺和碳纤维复合材料的三点弯曲测试开始时观察到的线性区域(胡克固体的特征)在碳/环氧复合材料中最为明显。在这三种不同的复合材料中,碳纤维复合材料在变形较小的情况下最符合胡克定律。我认为,这是碳纤维复合材料成为假肢选择材料的主要原因。 7.疲劳强度: 假体材料的另一个要求是疲劳强度。显然,假体所承受的负载并不保持恒定,而是随着每个步骤而变化,随着设备不断弯曲并返回其原始形状。每种已知材料在重复弯曲一定次数的循环后都会失去部分强度,最终导致组件损坏。自然,对于假体装置来说,逐渐降低强度和缩短使用寿命是不可接受的。从60年代开始,铝假肢的使用寿命仅为1年。聚合物基体的开裂,纤维断裂,层的分层以及基体/纤维界面处的分离是复合材料在反复弯曲时观察到的四种不同的破坏模式。纤维/基质界面处的分离对组件的寿命影响最大。下图的曲线显示了不同材料疲劳导致的强度损失程度。在此图表中可以看到,碳纤维/环氧树脂复合材料在经历了极高的应力循环次数后仍具有很高的残余强度。在机翼,风力涡轮机叶片和一级方程式赛车中使用碳纤维/环氧复合材料可证明这种材料具有极高的疲劳强度。 8.结论: 在选择用于制造义肢的材料时,碳纤维/环氧复合材料因其众多因素而脱颖而出,包括抗张强度和抗压强度,模量,抗冲击性,耐疲劳性,比重,易于制造等,卫生和美学因素。得益于碳复合材料假肢,全世界成千上万的人生活得更好,更充实。 |
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