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碳纖維復合材料:骨科假肢的理想材料。
發布時間:2020-08-31 15:21 | 瀏覽次數:


梅爾維爾精美地描述了船長亞哈在追逐大白鯨的甲板上追逐時,木腿發出的Ah,Ah,ck的聲音!但是,自亞哈船長以來,人造腿或現今稱為假肢的假肢已經發生了根本性的變化。

 

在過去的5至10年中,在假體生產中使用碳纖維復合材料和輕金屬合金是技術上的最大飛躍。現代假肢設備可幫助成千上萬的人至少部分補償其缺失的肢體并過上高質量的生活。一些用戶從事體育活動,甚至打破記錄。

亚博足彩APP 為什么英特力碳纖維/環氧復合材料在假肢生產中如此成功?什么是決定性因素:材料科學的吸引力,外觀,價格,簡單的制造工藝或它們的技術優勢?為了回答這個問題,我們必須專注于所需的假體規格以及碳纖維復合材料的性能。

 

 

  1. 亚博足彩APP 現代成型技術:

    現代義肢的關鍵特征是可以根據個人身高,體重和肌肉結構進行定制。使用涉及機加工的制造過程不可能為假體提供所需的形狀。因此,所使用的材料必須適合于模制制造技術。英特力碳纖維復合材料的最大優勢在于,它們可以生產具有薄壁和復合曲線的深層部件。通過使用對開模與樹脂傳遞模塑法和預浸料法相結合,可以生產任何種類的復雜結構

  2. 沿零部件變化的機械性能:

    假體有望完全復制其替代的自然器官的功能。數千年來的發展已將人類的肌肉和骨骼轉變為具有高阻力/重量比且在不同區域具有不同特性的完美結構。大自然是一切,但慷慨:它不允許我們體內的任何部分變得比必需的更堅固和更重。當我們檢查骨骼時,我們看到不同的區域并不相同,但具有不同的膠原蛋白,羥磷灰石和孔隙率。這種現象在醫學上被稱為沃爾夫定律,規定骨骼在高應力區域(例如尖端)的密度和強度較高,而低應力區域的密度和強度較低。脛骨尖端的密度和抗壓強度提高了50%。由于花在零重力上的時間很長,宇航員的骨骼變得虛弱。隨著英特力碳纖維的模制方法的最新發展,有可能在部件的不同區域獲得不同水平的強度和模量。特別是使用樹脂傳遞模塑法和現代纖維鋪網(絲束放置)方法,可以高精度地獲得不同部分的壁厚變化。因此,可以根據沃爾夫定律在模擬自然的不同區域生產具有不同強度的組件 可以高精度獲得不同部分的不同壁厚。因此,有可能在沃爾夫定律所規定的模仿自然的不同區域生產具有不同強度的組件 可以高精度獲得不同部分的不同壁厚。因此,有可能在沃爾夫定律所規定的模仿自然的不同區域生產具有不同強度的組件

  3. 亚博足彩APP 高比強度:

    在溫血動物中,肌肉和腱有助于身體運動,而骨骼和關節則是負重。目前,由醫療機構批準并在實踐中常規使用的假肢可接管骨骼的功能。具有內部電源的主動修復術仍處于開發階段。替代骨骼的假體必須具有與天然骨骼相似的機械強度。當前可用的碳/環氧復合材料容易產生700 MPa的拉伸強度和70 GPa的彈性模量。連同其1.6 g / mL的密度一起考慮,該材料的非常高的比強度變得更加明顯。除了其抗張強度外,高抗壓強度和斷裂韌性還有助于提高這種材料的品質。假肢的生產還有其他候選人。常規的木材,玻璃纖維/聚酯復合材料,玻璃和碳纖維/熱塑性復合材料,金屬及其合金或陶瓷也可用于假肢。就各種候選材料和天然骨骼之間的比較而言。從絕對強度,模量和斷裂韌性來比較,碳纖維復合材料最類似于天然骨。

  4. 理想的重量分布:

    上述碳纖維復合材料的比強度是如此之高,以至于可以制造出具有與自然腿相同強度但同時又輕60%的假體。最初生產的碳纖維假體確實非常輕。由于采用了這種新材料,整個腿部假肢的重量只有2至3公斤。但是,一個人的腿重80公斤,重約13到14公斤。70年代的實驗表明,這些超輕假體根本不實用。干擾人體的最佳體重分布會產生不良結果。改變人體的重量分布會使坐下,彎曲或舉起等活動變得更加困難。這表明,假肢的總重量而不是假肢的總重量 重要的是重量分布和產生的角動量。特別是對于下肢假肢,在膝蓋區域附近的輕型部件上增加鉛塊重量有助于關節的運動。還發現手臂假肢的重量必須與肌肉在其整個生命周期中習慣移動的重量大致相同。通過將重物附著在假體中最合適的位置,在一個點上散布或集中該重物的微調對于碳纖維/環氧復合材料而言非常簡單,這使得這種材料在假體制造中非常成功。還發現手臂假肢的重量必須與肌肉在其整個生命周期中習慣移動的重量大致相同。通過將重物附著在假體中最合適的位置,在一個點上散布或集中該重物的微調對于碳纖維/環氧復合材料而言非常簡單,這使得這種材料在假體制造中非常成功。還發現手臂假體的重量必須與肌肉在其整個生命周期中習慣移動的重量大致相同。在碳纖維/環氧復合材料中,通過將一個重物附著在假體中最合適的位置,在一個點上分散或集中該重物來進行微調非常簡單,這使得這種材料在假體制造中非常成功。

 

5.衛生:

假體中使用的任何材料,除了要具有高強度外,還必須易于清潔,不吸濕,耐腐蝕,耐細菌和真菌感染,耐紫外線,對汗液和鹽分不敏感,和化妝品上可接受的 經過固化和洗滌后,環氧樹脂不會刺激人體皮膚,并且不會引起過敏。皮膚意外接觸假體不會造成任何傷害。碳復合材料具有所有所需的性能。

6.彈性:

亚博足彩APP 在肌肉和肌腱中發現的稱為髓磷脂和彈性蛋白的蛋白質的一個重要特征是,它們在穩定狀態下就像彈簧一樣起作用。幾千年來,彈性蛋白是肌腱的主要組成部分,已演變為完美的“胡克式固體”。在施加的應力和所產生的應變之間呈現線性關系的材料稱為“霍克固體”。這種材料的例子包括鋼彈簧或橡皮筋。袋鼠跟腱中的彈性蛋白就像一個完美的彈簧,使動物能夠以相對較少的能量長距離奔跑。每次袋鼠撞到地面時,都會發生彈性碰撞,幾乎所有動能都被轉化

轉化為勢能,因此,下一跳躍僅需要少量的附加能量。步行或跑步時,人類利用相同的動能/勢能轉換。在玻璃,芳族聚酰胺和碳纖維復合材料的三點彎曲測試開始時觀察到的線性區域(胡克固體的特征)在碳/環氧復合材料中最為明顯。在這三種不同的復合材料中,碳纖維復合材料在變形較小的情況下最符合胡克定律。我認為,這是碳纖維復合材料成為假肢選擇材料的主要原因。

亚博足彩APP 7.疲勞強度:

亚博足彩APP 假體材料的另一個要求是疲勞強度。顯然,假體所承受的負載并不保持恒定,而是隨著每個步驟而變化,隨著設備不斷彎曲并返回其原始形狀。每種已知材料在重復彎曲一定次數的循環后都會失去部分強度,最終導致組件損壞。自然,對于假體裝置來說,逐漸降低強度和縮短使用壽命是不可接受的。從60年代開始,鋁假肢的使用壽命僅為1年。聚合物基體的開裂,纖維斷裂,層的分層以及基體/纖維界面處的分離是復合材料在反復彎曲時觀察到的四種不同的破壞模式。纖維/基質界面處的分離對組件的壽命影響最大。下圖的曲線顯示了不同材料疲勞導致的強度損失程度。在此圖表中可以看到,碳纖維/環氧樹脂復合材料在經歷了極高的應力循環次數后仍具有很高的殘余強度。在機翼,風力渦輪機葉片和一級方程式賽車中使用碳纖維/環氧復合材料可證明這種材料具有極高的疲勞強度。

8.結論:

亚博足彩APP 在選擇用于制造義肢的材料時,碳纖維/環氧復合材料因其眾多因素而脫穎而出,包括抗張強度和抗壓強度,模量,抗沖擊性,耐疲勞性,比重,易于制造等,衛生和美學因素。得益于碳復合材料假肢,全世界成千上萬的人生活得更好,更充實。


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