一種三維編織復(fù)合材料假肢的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種三維編織復(fù)合材料假肢，包括三維編織復(fù)合材料腳部假肢和三維編織復(fù)合材料腿部假肢，所述腳部假肢為內(nèi)部中空并具有腳尖、腳底、腳后跟和腳踝的腳部結(jié)構(gòu)，其中，所述腳底設(shè)有二維疊層織物模壓復(fù)合材料增強(qiáng)件，所述腳后跟以及與所述腿部假肢相連接的腳踝均設(shè)有金屬增強(qiáng)件；所述腿部假肢為內(nèi)部中空并且中空橫截面為橢圓形的結(jié)構(gòu)，與所述腳踝相連接的腿部假肢設(shè)有金屬增強(qiáng)件。通過腿部和腳部假肢構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和組合式三維編織復(fù)合材料的成型，在達(dá)到假肢構(gòu)件輕質(zhì)便攜目的的基礎(chǔ)上，有效提高復(fù)合材料假肢的整體力學(xué)性能和抗疲勞載荷的性能，同時可提高假肢制備的效率和使用壽命。
【專利說明】
一種三維編織復(fù)合材料假肢
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及一種復(fù)合材料假肢，特別涉及一種應(yīng)用三維編織纖維織物增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料腿部和腳部假肢。
【背景技術(shù)】
[0002]康復(fù)醫(yī)學(xué)是醫(yī)學(xué)中的一門相對跨專業(yè)的綜合性學(xué)科，融合了醫(yī)學(xué)工程、生物工程學(xué)、仿生學(xué)以及復(fù)合材料科學(xué)等多門學(xué)科的先進(jìn)知識和技術(shù)。其中康復(fù)工程技術(shù)可用在假肢、矯形器等關(guān)鍵的制品領(lǐng)域，對于殘疾人的生活質(zhì)量提高和保證學(xué)習(xí)以及職業(yè)勞動的正常進(jìn)行具有重要意義。近年來，高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在假肢領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，以高分子聚合物樹脂作為基體，以高性能纖維不同織物增強(qiáng)的復(fù)合材料比其他材質(zhì)的假肢更為美觀、輕便，而且應(yīng)用耐久度、彈性、韌性以及耐環(huán)境變化等性能均體現(xiàn)出較高的優(yōu)勢，具有較大的推廣價值。詳細(xì)來講，高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的假肢尤其是運(yùn)動型的小腿和腳部組合而成假肢，對于提高殘疾人的行動能力，特別是競技運(yùn)動中運(yùn)動員的能力水平的提高具有特別突出的優(yōu)勢，其質(zhì)量輕、剛性大、富有彈性，能夠比其他類型材質(zhì)的性能具有成倍甚至十幾倍的提升。
[0003]而目前在市場上流行或推廣的復(fù)合材料腿部以及腳部的假肢，均采用常規(guī)纖維織物成型方式制備。第一，一般采用的纖維排布增強(qiáng)方式為平紋、斜紋或緞紋織物，通過厚度方向疊層后利用樹脂浸漬模壓成型，這種平面織物的復(fù)合材料具有較大的剛性，但是層間的結(jié)合力薄弱限制了其作為運(yùn)動型關(guān)節(jié)部位的力學(xué)性能的穩(wěn)定，尤其是利用該成型方式的平面織物復(fù)合材料制備腳部假肢，無法適應(yīng)長期的頻繁的彎曲疲勞載荷作用;第二，采用高性能纖維單向排布浸漬樹脂膠液形成預(yù)浸帶，通過纖維二維纏繞結(jié)構(gòu)方式以干法真空導(dǎo)入成型方式和制備腳部或腿部的復(fù)合材料假肢結(jié)構(gòu)部件，纖維的單向排布對于腳部疲勞彎曲載荷的提高具有明顯優(yōu)勢，但是二維纖維纏繞技術(shù)成型的腿部假肢無法長期抵抗身體重量帶來的壓縮載荷，而使得腿部假肢的構(gòu)件壽命及力學(xué)穩(wěn)定性受到考驗。
【實用新型內(nèi)容】
[0004]三維立體編織纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料具有各向同性材質(zhì)的力學(xué)特性，其無論在平面二維方向還是在厚度方向上均具有較高的強(qiáng)度、剛度、減震以及環(huán)境耐久度，利用纖維三維立體編織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料進(jìn)行腳部假肢構(gòu)件的制備，可以通過腳部仿生結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計達(dá)到較高的彈性、韌性以及抗疲勞載荷的性能，同時利用纖維立體編織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制備的腿部假肢構(gòu)架也可以有效的提高對于人體重量的承載和頻繁往復(fù)的壓縮載荷作用。本實用新型即針對腿部和腳部部位進(jìn)行復(fù)合材料假肢的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及制備技術(shù)公開，通過混雜纖維三維編織技術(shù)，仿照腳部形狀進(jìn)行三維織物預(yù)制體的制備，同時在特定疲勞承載部位采用了多種立體編織結(jié)構(gòu)組合應(yīng)用的技術(shù)，以保證腳部三維編織復(fù)合材料構(gòu)件的耐彎曲疲勞的特點(diǎn)。在腿部假肢構(gòu)件的制備中采用了變截面橢圓筒編織技術(shù)，在腿部與腳部的連接部位采用了金屬內(nèi)嵌件連接形式，保證二者的牢固結(jié)合和抗疲勞載荷的特點(diǎn)。通過以上兩個不同部位假肢構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和組合制備，在達(dá)到輕質(zhì)便攜目的的基礎(chǔ)上，有效提高復(fù)合材料假肢的整體力學(xué)性能和抗疲勞載荷的性能，同時可大大提高假肢制備的效率。
[0005]本實用新型采用以下技術(shù)方案具體如下:
[0006]一種三維編織復(fù)合材料假肢，包括三維編織復(fù)合材料腳部假肢和三維編織復(fù)合材料腿部假肢，所述腳部假肢為內(nèi)部中空并具有腳尖、腳底、腳后跟和腳踝的腳部結(jié)構(gòu)，其中，所述腳底設(shè)有二維疊層織物模壓復(fù)合材料增強(qiáng)件，所述腳后跟以及與所述腿部假肢相連接的腳踝均設(shè)有金屬增強(qiáng)件;所述腿部假肢為內(nèi)部中空并且中空橫截面為橢圓形的結(jié)構(gòu)，與所述腳踝相連接的腿部假肢設(shè)有金屬增強(qiáng)件。
[0007]優(yōu)選的，所述三維編織復(fù)合材料腳部假肢是由第一三維立體編織預(yù)制體、第一鋪縫結(jié)構(gòu)和熱固性樹脂復(fù)合成型，所述第一鋪縫結(jié)構(gòu)是鋪縫纖維沿所述第一三維立體編織預(yù)制體的厚度方向鋪縫所形成的結(jié)構(gòu)。
[0008]所述第一三維立體編織預(yù)制體為常規(guī)現(xiàn)有技術(shù)，由常規(guī)纖維編織制成，本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易制得。另外，所述第一三維立體編織預(yù)制體也可由高強(qiáng)度纖維和高韌性纖維混雜制成。所述三維編織復(fù)合材料腳部假肢，仿照腳部結(jié)構(gòu)采用中空結(jié)構(gòu)形式，所用的纖維以高強(qiáng)度纖維配合高韌性纖維混雜使用，有效提高中空結(jié)構(gòu)腳部假肢抵抗破壞和頻繁彎折的特性，其中高強(qiáng)度纖維可選用高強(qiáng)度碳纖維，高強(qiáng)度碳纖維為T300及其以上的碳纖維，主要為T300、T700或T800中的任意一種或多種，高韌性纖維可選用UHMffPE纖維、芳綸纖維中的一種或多種混雜使用，兩種纖維的混雜體積比例為I: I到10:1，根據(jù)腳部受力要求和特定結(jié)構(gòu)部位要求而靈活調(diào)整。
[0009]所述三維編織復(fù)合材料腳部假肢所用的纖維編織工藝采用三維四向、三維五向、三維六向、三維七向以及其他三維多向不同編織結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中為提高腳部假肢的彈性和韌性，在腳后跟部位采用內(nèi)嵌入金屬增強(qiáng)件的復(fù)合結(jié)構(gòu)，優(yōu)選的，為進(jìn)一步提高腳部假肢的彈性和韌性，所述腳后跟為S形狀或近S形狀;在腳底部位采用二維疊層織物模壓復(fù)合材料增強(qiáng)件內(nèi)嵌入三維織物預(yù)制體內(nèi)以起到強(qiáng)化作用，所述“二維疊層織物模壓復(fù)合材料”為本領(lǐng)域的常規(guī)技術(shù)名詞，即為采用模壓技術(shù)和二維疊層編織技術(shù)制成的復(fù)合材料;在腳踝與小腿假肢的連接部位采用金屬增強(qiáng)件內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)以備與腿部假肢進(jìn)行良好連接。其中內(nèi)嵌部位的三維織物預(yù)制體采用多種立體編織結(jié)構(gòu)組合應(yīng)用的技術(shù)，其靠近內(nèi)嵌件的三維立體編織維度要高于其它主體部位的編織維度。
[0010]所述三維編織復(fù)合材料腳部假肢預(yù)制體及內(nèi)嵌件組合編織完成后，采用特種纖維進(jìn)行二次鋪縫編織強(qiáng)化，所用的鋪縫纖維為高強(qiáng)度碳纖維，高強(qiáng)度碳纖維為T300及其以上的碳纖維，可選用T300、T700或T800中的任意一種或多種混雜使用。二次鋪縫編織強(qiáng)化所用的鋪縫纖維比例占到腳部假肢三維織物預(yù)制體纖維比例的5-40%。
[0011]優(yōu)選的，所述三維編織復(fù)合材料腿部假肢是由第二三維立體編織預(yù)制體、第二鋪縫結(jié)構(gòu)和熱固性樹脂復(fù)合成型，所述第二鋪縫結(jié)構(gòu)是鋪縫纖維沿所述第二三維立體編織預(yù)制體的厚度方向鋪縫所形成的結(jié)構(gòu)。
[0012]所述第二三維立體編織預(yù)制體為常規(guī)現(xiàn)有技術(shù)，由常規(guī)纖維編織制成，本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易制得。另外，所述第二三維立體編織預(yù)制體也可由高剛度纖維和高韌性纖維混雜制成。
[0013]所述腿部假肢采用高性能纖維織物三維立體編織的橢圓形中空結(jié)構(gòu)，截面形狀及厚度可根據(jù)不同人腿部結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈活調(diào)整，主要涉及部位為小腿部位形狀，所用的纖維可選用高剛度纖維配合高韌性纖維混雜應(yīng)用，其中高剛度纖維可選用碳纖維(M40J或M460J中的任意一種)，高韌性纖維可選用UHMWPE纖維、芳綸纖維的一種或多種混雜使用，高剛度纖維與高韌性纖維的混雜使用的體積比例為1:1到10:1，根據(jù)小腿受力要求和特定結(jié)構(gòu)部位要求而靈活調(diào)整。
[0014]所述三維編織復(fù)合材料腿部假肢所用的纖維編織工藝采用三維四向、三維五向、三維六向、三維七向以及其他三維多向不同編織結(jié)構(gòu)設(shè)計，腿部假肢與腳部假肢連接部位采用內(nèi)嵌金屬增強(qiáng)件強(qiáng)化的復(fù)合結(jié)構(gòu)，對于三維編織復(fù)合材料腿部假肢預(yù)制體及內(nèi)嵌件組合編織完成后在厚度方向采用特定纖維二次鋪縫強(qiáng)化。
[0015]所述的腿部假肢構(gòu)件的二次鋪縫編織強(qiáng)化，鋪縫纖維可選用碳纖維T300、T700或Τ800中的任意一種或多種混雜使用。二次鋪縫編織強(qiáng)化所用的纖維比例占到腿部假肢三維立體編織預(yù)制體纖維體積比例的5-40%。
[0016]本實用新型的腳部和腿部的的三維立體編織預(yù)制體的纖維類型、比例以及排布方向組合是根據(jù)下肢的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)動而特定選擇的，是實用新型人經(jīng)過長期的實驗測試得到的，本實用新型通過恰當(dāng)?shù)剡x擇腳部和腿部的纖維混雜類型以及比例，既保證了較高的剛度和強(qiáng)度，也具有較高的彈性和韌性，提高了其使用壽命。具體如下:
[0017]假腳的主要作用是支撐機(jī)體質(zhì)量，在運(yùn)動中產(chǎn)生動力。本實用新型根據(jù)仿照腳部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和腳部產(chǎn)生的動力學(xué)特點(diǎn)，首先，將其設(shè)計為中空結(jié)構(gòu)形式，并特別選用高強(qiáng)度纖維和高韌性纖維相互混雜，其中，高強(qiáng)度碳纖維強(qiáng)度較高，高韌性纖維中的芳綸纖維具有良好的抗沖擊和耐疲勞性能、有良好的介電性和化學(xué)穩(wěn)定性、耐屈折性和加工性能好，UHMffPE纖維的耐沖擊性能、耐磨性能和耐疲勞性能優(yōu)異，經(jīng)過實用新型人長期實驗測試得到，采用高強(qiáng)度碳纖維與高韌纖維混雜組合，產(chǎn)生混雜增強(qiáng)其強(qiáng)度和韌性的效應(yīng)，制備得到的三維編織復(fù)合材料的腳部假肢具有優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性，使得腳部假肢的承載能力更強(qiáng)，混雜比例優(yōu)選為1:1?10:1，當(dāng)比例數(shù)值小于I時，腳部假肢韌性較大但強(qiáng)度較小，當(dāng)比例數(shù)值大于10時，腳部假肢的韌性較小強(qiáng)度過大，兩種情況均不滿足使用要求;其次，在預(yù)制體厚度方向上進(jìn)行二次鋪縫強(qiáng)化，進(jìn)一步提高腳部假肢構(gòu)件在厚度方向上的強(qiáng)度和剛度，有利于提高整體腳部假肢的力學(xué)性能；另外，從動力學(xué)觀點(diǎn)來看，腳在支撐前期儲存能量，而在腳后跟部位采用金屬增強(qiáng)件的復(fù)合結(jié)構(gòu)，大幅度增加了其能量儲存，進(jìn)一步的，而S型腳后跟的設(shè)計使其猶如彈簧一樣，加大其彈性勢能，在后期可釋放更多的能量;還有，腳部的腳底承載的機(jī)體力量較大，將腳底部采用二維疊層織物模壓復(fù)合材料增強(qiáng)件進(jìn)行強(qiáng)化，保證直立時足底支撐的穩(wěn)固性。
[0018]假腿將機(jī)體重量傳遞至腳部，在行走過程中活動自如。本實用新型根據(jù)此特點(diǎn)，首先，采用了變截面橢圓形中空編織技術(shù)，實驗證明采用橢圓形中空結(jié)構(gòu)，對支撐身體穩(wěn)定性起到了重要作用，并具有容納殘肢、傳遞殘肢與假肢之間的作用力的作用，并特別選用高剛度纖維和高韌性纖維相互混雜，經(jīng)過實用新型人長期實驗測試得到，采用高剛度纖維與高韌纖維混雜組合，產(chǎn)生混雜增強(qiáng)其剛度和韌性的效應(yīng)，制備得到的三維編織復(fù)合材料的腿部假肢具有優(yōu)異的剛度度和韌性，提高了抗疲勞載荷的特點(diǎn)，混雜比例優(yōu)選為1:1?10:1，當(dāng)比例數(shù)值小于I時，腳部假肢韌性較大但剛度較小，當(dāng)比例數(shù)值大于10時，腳部假肢的韌性較小剛度過大，兩種情況均不滿足使用要求;其次，在預(yù)制體厚度方向上進(jìn)行二次鋪縫強(qiáng)化，進(jìn)一步提高腿部假肢構(gòu)件在厚度方向上的強(qiáng)度和剛度，有利于提高整體腿部假肢的力學(xué)性能;另外，在腿部和腳部的連接部位采用了金屬增強(qiáng)件內(nèi)嵌件連接形式，保證二者的牢固結(jié)合和抗疲勞載荷的特點(diǎn)。
[0019]優(yōu)選的，所述熱固性樹脂為環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂的任意一種，最終制得的三維編織復(fù)合材料假肢樹脂的含量為35?50%。
[0020]所述的腿部假肢與腳部假肢的連接，采用內(nèi)嵌入的金屬增強(qiáng)件通過螺栓連接完成。所用的螺栓規(guī)格根據(jù)人體部位的大小和形狀規(guī)格靈活調(diào)整。
[0021 ]所述二維編織復(fù)合材料假肢的制備方法，包括:
[0022](I)利用高強(qiáng)度纖維和高韌性纖維混雜纖維制成中空的腳部假肢三維立體編織預(yù)制體，在編織過程中對腳后跟和腳踝處的預(yù)制體內(nèi)嵌入金屬增強(qiáng)件、對腳底處的預(yù)制體內(nèi)嵌入復(fù)合材料構(gòu)件，然后采用鋪縫纖維在腳部假肢三維立體編織預(yù)制體的厚度方向上進(jìn)行二次鋪縫強(qiáng)化；
[0023](2)利用高剛度纖維和高韌性纖維混雜纖維制成中空且中空的橫截面為橢圓形的腿部假肢三維立體編織預(yù)制體，在編織過程中對與所述腳踝相連接的腿部假肢處的預(yù)制體內(nèi)嵌入金屬增強(qiáng)件，然后采用鋪縫纖維在腿部假肢三維立體編織預(yù)制體的厚度方向上進(jìn)行二次鋪縫強(qiáng)化；
[0024](3)將(I)中鋪縫后的腳部假肢預(yù)制體和(2)中鋪縫后的腿部假肢連接，采用熱固性樹脂膠液為基體，對連接后的假肢預(yù)制體浸漬、復(fù)合固化成型。
[0025]步驟(3)中，復(fù)合固化成型采用真空導(dǎo)入與快速熱固化結(jié)合的復(fù)合成型工藝，針對以上三維立體編織及二次鋪縫強(qiáng)化后的假肢預(yù)制體，采用熱固性樹脂膠液(環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂等中的任意一種)為基體，采用VARI真空導(dǎo)入工藝實現(xiàn)樹脂膠液對混雜纖維立體結(jié)構(gòu)的快速浸漬，熱固化過程在大型烘箱中進(jìn)行，整個固化過程保持真空體系工作，真空度保證在0.06-0.1MPa范圍內(nèi)，浸漬樹脂后假肢含膠量保持在35-50%，固化溫度和時間根據(jù)樹脂特性靈活調(diào)整。
[0026]采用纖維織物三維立體編織一體化成型技術(shù)，仿照腳部結(jié)構(gòu)采用中空結(jié)構(gòu)形式，在編織過程中對與腳部特定部位采用金屬構(gòu)件或復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)嵌強(qiáng)化，同時腳部特定部位的編織結(jié)構(gòu)與整體腳部結(jié)構(gòu)可有不同，將多種立體編織結(jié)構(gòu)組合形成整體
[0027]本實用新型與現(xiàn)有的復(fù)合材料腿部或腳部假肢相比具有以下主要優(yōu)點(diǎn):
[0028](I)采用三維立體纖維織物增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制備腿部或腳部假肢構(gòu)件，可根據(jù)人體仿生學(xué)要求，靈活設(shè)計假肢的外型；同時可以根據(jù)假肢構(gòu)件力學(xué)性能要求進(jìn)行特定部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以實現(xiàn)不同部位的疲勞載荷強(qiáng)度的針對性提高，有效提高復(fù)合材料假肢的使用壽命的環(huán)境耐久度。
[0029](2)對上述三維多向立體編織假肢預(yù)制體構(gòu)件沿厚度方向進(jìn)行二次鋪縫編織結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，可進(jìn)一步提高假肢構(gòu)件在厚度方向的強(qiáng)度和剛度。三維編織與二次鋪縫編織處理相結(jié)合，一次性完成預(yù)制體制備，生產(chǎn)效率較高。在達(dá)到輕質(zhì)便攜目的的基礎(chǔ)上，有效提高復(fù)合材料假肢的整體力學(xué)性能和抗疲勞載荷的性能。
【附圖說明】
[0030]圖1是三維編織復(fù)合材料腳部假肢示意圖。
[0031 ]圖2是三維編織復(fù)合材料腿部假肢示意圖。
[0032]其中，1、腳部假肢，2、第一金屬增強(qiáng)件，3、復(fù)合材料增強(qiáng)件，4、第二金屬增強(qiáng)件，5、小腿假肢，6、第三金屬增強(qiáng)件。
【具體實施方式】
[0033]本實用新型涉及一種利用三維立體纖維織物增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料腿部和腳部假肢，下面結(jié)合實施例進(jìn)一步說明。
[0034]實施例1
[0035]一種三維編織復(fù)合材料假肢，包括三維編織復(fù)合材料腳部假肢I(xiàn)和三維編織復(fù)合材料小腿假肢5;
[0036]如圖1所示，所述三維編織復(fù)合材料腳部假肢I(xiàn)是由高強(qiáng)度纖維和高韌性纖維混雜制成的腳部假肢三維立體編織預(yù)制體、沿所述腳部假肢三維立體編織預(yù)制體厚度方向進(jìn)行鋪縫所形成的并由鋪縫纖維組成的結(jié)構(gòu)和熱固性樹脂三者復(fù)合成型;所述腳部假肢為內(nèi)部中空并具有腳尖、腳底、腳后跟和腳踝的腳部結(jié)構(gòu)，其中，所述腳底處的三維立體編織預(yù)制體內(nèi)設(shè)有二維疊層織物模壓復(fù)合材料增強(qiáng)件3，所述腳后跟處三維立體編織預(yù)制體內(nèi)設(shè)有第一金屬增強(qiáng)件2，與所述腿部假肢相連接的腳踝處的三維立體編織預(yù)制體內(nèi)設(shè)有第二金屬增強(qiáng)件4;
[0037]如圖2所示，所述三維編織復(fù)合材料小腿假肢5是由高剛度纖維和高韌性纖維混雜制成的腿部假肢三維立體編織預(yù)制體、沿所述腿部假肢三維立體編織預(yù)制體厚度方向進(jìn)行鋪縫所形成的并由鋪縫纖維組成的結(jié)構(gòu)和熱固性樹脂三者復(fù)合成型;所述小腿假肢5為內(nèi)部中空并且中空橫截面為橢圓形的結(jié)構(gòu)，與所述腳踝相連接的腿部假肢處的三維立體編織預(yù)制體內(nèi)設(shè)有第三金屬增強(qiáng)件6。
[0038]上述三維編織復(fù)合材料假肢制備方法如下。第一，三維編織復(fù)合材料腳部假肢的制備。腳部假肢構(gòu)件采用纖維織物三維立體編織一體化成型技術(shù)，仿照腳部結(jié)構(gòu)采用中空結(jié)構(gòu)形式，利用T300碳纖維與芳綸纖維混雜作為三維織物制備的長絲纖維原料，其中碳纖維和芳綸纖維的混雜比例為1:1，采用三維四向織物結(jié)構(gòu)進(jìn)行腳部假肢構(gòu)件的主體設(shè)計，其中在腳后跟部位采用內(nèi)嵌入第一金屬增強(qiáng)件2的復(fù)合結(jié)構(gòu)，此部位的三維織物采用三維五向結(jié)構(gòu);在腳底部位采用二維疊層織物模壓復(fù)合材料增強(qiáng)件3內(nèi)嵌入三維織物預(yù)制體內(nèi)以起到強(qiáng)化作用，此部位的三維織物采用三維六向結(jié)構(gòu)；在腳踝與小腿假肢的連接部位采用第二金屬增強(qiáng)件4內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)以備與腿部假肢I(xiàn)進(jìn)行牢固連接，此部位的三維織物采用三維五向結(jié)構(gòu)。對于腳部假肢構(gòu)件三維織物預(yù)制體及內(nèi)部的增強(qiáng)件嵌入之后在厚度方向采用特定纖維二次鋪縫強(qiáng)化，鋪縫纖維可選用T700碳纖維。二次鋪縫編織強(qiáng)化所用的鋪縫纖維比例占到腳部假肢部件三維織物預(yù)制體纖維比例的15 %。
[0039]第二，三維編織復(fù)合材料腿部假肢的制備。小腿部假肢構(gòu)件采用高性能纖維織物三維立體編織的橢圓形中空結(jié)構(gòu)，選用M40J碳纖維與UHMWPE纖維混雜使用，混雜纖維比例為2:1，采用三維四向織物結(jié)構(gòu)進(jìn)行小腿部假肢構(gòu)件的主體設(shè)計，其中腿部假肢構(gòu)件與腳部假肢連接部位采用內(nèi)嵌第三金屬增強(qiáng)件6的復(fù)合結(jié)構(gòu)，該連接部位采用三維五向織物結(jié)構(gòu)，三維編織復(fù)合材料腿部假肢預(yù)制體及內(nèi)嵌金屬連接件組合編織完成后在厚度方向采用特定纖維二次鋪縫強(qiáng)化，鋪縫纖維選用T800碳纖維，二次鋪縫編織強(qiáng)化所用的鋪縫纖維比例占腿部假肢部件三維織物預(yù)制體纖維比例的20%。腿部假肢與腳部假肢的連接，采用內(nèi)嵌入的金屬增強(qiáng)件通過螺栓連接完成。所用的螺栓規(guī)格根據(jù)人體部位的大小和形狀規(guī)格靈活調(diào)整。
[0040]第三，采用真空導(dǎo)入與快速熱固化結(jié)合的復(fù)合成型工藝，針對于以上三維立體編織假肢構(gòu)件的預(yù)制體，采用熱固性環(huán)氧樹脂膠黏劑為基體，采用VARI真空導(dǎo)入工藝實現(xiàn)樹脂膠液對混雜纖維立體結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速浸漬，熱固化過程在大型烘箱中進(jìn)行，整個固化過程保持真空體系連續(xù)工作，真空度保持在0.09MPa。浸漬樹脂后的假肢部件于80°C固化3小時后成型，含膠量保持在40%。利用以上實施例加工的假肢產(chǎn)品，相對于對比例I的假肢產(chǎn)品，使用壽命提高80%以上，假肢構(gòu)件在厚度方向的強(qiáng)度提高30%以上和剛度提高20%以上。
[0041]對比例1:與實施例1的區(qū)別是，對比例I中不設(shè)有第一金屬增強(qiáng)件、第二金屬增強(qiáng)件、第三金屬增強(qiáng)件和復(fù)合材料增強(qiáng)件，腳部假肢和腿部假肢連接采用螺栓常規(guī)進(jìn)行連接，其他與實施例1的相同，最終制備假肢的尺寸規(guī)格與實施例1的相同。
[0042]結(jié)論:當(dāng)三維立體編織腳部和腿部假肢不設(shè)有金屬增強(qiáng)件和復(fù)合材料增強(qiáng)件時，制備出來的假肢產(chǎn)品的力學(xué)性能和壽命不如本實用新型的試驗效果好，尤其是使用壽命，可見金屬增強(qiáng)件和復(fù)合材料增強(qiáng)件的必要性。
[0043]實施例2
[0044]本實用新型涉及一種利用三維立體纖維織物增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制備的腳部和腿部假肢，其制備方法如下。第一，三維編織復(fù)合材料腳部假肢的制備。腳部假肢構(gòu)件采用纖維織物三維立體編織一體化成型技術(shù)，仿照腳部結(jié)構(gòu)采用中空結(jié)構(gòu)形式，利用T700碳纖維與芳綸纖維混雜作為三維織物制備的長絲纖維原料，其中碳纖維和芳綸纖維的混雜比例為1:1，采用三維五向織物結(jié)構(gòu)進(jìn)行腳部假肢構(gòu)件的主體設(shè)計，其中在腳后跟部位采用內(nèi)嵌入金屬增強(qiáng)件的復(fù)合結(jié)構(gòu)，此部位的三維織物采用三維五向結(jié)構(gòu);在腳底部位采用二維疊層織物模壓復(fù)合材料增強(qiáng)件內(nèi)嵌入三維織物預(yù)制體內(nèi)以起到強(qiáng)化作用，此部位的三維織物采用三維六向結(jié)構(gòu);在腳踝與小腿假肢的連接部位采用金屬增強(qiáng)件內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)以備與腿部假肢進(jìn)行牢固連接，此部位的三維織物采用三維六向結(jié)構(gòu)。對于腳部假肢構(gòu)件三維織物預(yù)制體及內(nèi)部的增強(qiáng)件嵌入之后在厚度方向采用特定纖維二次鋪縫強(qiáng)化，鋪縫纖維可選用T300碳纖維。二次鋪縫編織強(qiáng)化所用的鋪縫纖維比例占到腳部假肢部件三維織物預(yù)制體纖維比例的22 %。
[0045]第二，三維編織復(fù)合材料腿部假肢的制備。小腿部假肢構(gòu)件采用高性能纖維織物三維立體編織的橢圓形中空結(jié)構(gòu)，選用M60J碳纖維與芳綸纖維混雜使用，混雜纖維比例為3:1，采用三維四向織物結(jié)構(gòu)進(jìn)行小腿部假肢構(gòu)件的主體設(shè)計，其中腿部假肢構(gòu)件與腳部假肢連接部位采用內(nèi)嵌金屬增強(qiáng)件強(qiáng)化的復(fù)合結(jié)構(gòu)，該連接部位采用三維五向織物結(jié)構(gòu)，三維編織復(fù)合材料腿部假肢預(yù)制體及內(nèi)嵌金屬增強(qiáng)件組合編織完成后在厚度方向采用特定纖維二次鋪縫強(qiáng)化，鋪縫纖維選用T300碳纖維，二次鋪縫編織強(qiáng)化所用的鋪縫纖維比例占腿部假肢部件三維織物預(yù)制體纖維比例的30%。腿部假肢與腳部假肢的連接，采用內(nèi)嵌入的金屬增強(qiáng)件通過螺栓連接完成。所用的螺栓規(guī)格根據(jù)人體部位的大小和形狀規(guī)格靈活調(diào)整。
[0046]第三，采用真空導(dǎo)入與快速熱固化結(jié)合的復(fù)合成型工藝，針對于以上三維立體編織假肢構(gòu)件的預(yù)制體，采用熱固性不飽和聚酯樹脂膠黏劑為基體，采用VARI真空導(dǎo)入工藝實現(xiàn)樹脂膠液對混雜纖維立體結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速浸漬，熱固化過程在大型烘箱中進(jìn)行，整個固化過程保持真空體系連續(xù)工作，真空度保持在0.06MPa。浸漬樹脂后的假肢部件于70°C固化2.5小時后成型，含膠量保持在37%。利用以上實施例加工的假肢產(chǎn)品，相比于對比例2的假肢產(chǎn)品，使用壽命提高60%以上，假肢構(gòu)件在厚度方向的強(qiáng)度提高65%以上和剛度提高70%以上。
[0047]對比例2:與實施例2的區(qū)別是，對比例2的腳部假肢預(yù)制體中碳纖維和芳綸纖維的混雜比例為1:2，腿部假肢預(yù)制體中的M60J碳纖維與芳綸纖維混雜纖維體積比例為1:3，其他與實施例2的相同，最終制備假肢的尺寸規(guī)格與實施例2的相同。
[0048]結(jié)論:當(dāng)選用不恰當(dāng)?shù)睦w維混雜比例組合的混雜纖維制備三維立體編織腳部和腿部假肢時，制備出來的假肢產(chǎn)品的力學(xué)性能和壽命不如本實用新型的試驗效果好。
[0049]實施例3
[0050]本實用新型涉及一種利用三維立體纖維織物增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制備的腳部和腿部假肢，其制備方法如下。第一，三維編織復(fù)合材料腳部假肢的制備。腳部假肢構(gòu)件采用纖維織物三維立體編織一體化成型技術(shù)，仿照腳部結(jié)構(gòu)采用中空結(jié)構(gòu)形式，利用T800碳纖維與芳綸纖維混雜作為三維織物制備的長絲纖維原料，其中碳纖維和芳綸纖維的混雜比例為1:1，采用三維四向織物結(jié)構(gòu)進(jìn)行腳部假肢構(gòu)件的主體設(shè)計，其中在腳后跟部位采用內(nèi)嵌入金屬增強(qiáng)件的復(fù)合結(jié)構(gòu)，此部位的三維織物采用三維六向結(jié)構(gòu);在腳底部位采用二維疊層織物模壓復(fù)合材料增強(qiáng)件內(nèi)嵌入三維織物預(yù)制體內(nèi)以起到強(qiáng)化作用，此部位的三維織物采用三維六向結(jié)構(gòu);在腳踝與小腿假肢的連接部位采用金屬增強(qiáng)件內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)以備與腿部假肢進(jìn)行牢固連接，此部位的三維織物采用三維五向結(jié)構(gòu)。對于腳部假肢構(gòu)件三維織物預(yù)制體及內(nèi)部的增強(qiáng)件嵌入之后在厚度方向采用特定纖維二次鋪縫強(qiáng)化，鋪縫纖維可選用T300碳纖維。二次鋪縫編織強(qiáng)化所用的鋪縫纖維比例占到腳部假肢部件三維織物預(yù)制體纖維比例的26 %。
[0051]第二，三維編織復(fù)合材料腿部假肢的制備。小腿部假肢構(gòu)件采用高性能纖維織物三維立體編織的橢圓形中空結(jié)構(gòu)，選用M40J碳纖維與UHMWPE纖維混雜使用，混雜纖維比例為4:1，采用三維五向織物結(jié)構(gòu)進(jìn)行小腿部假肢構(gòu)件的主體設(shè)計，其中腿部假肢構(gòu)件與腳部假肢連接部位采用內(nèi)嵌金屬增強(qiáng)件強(qiáng)化的復(fù)合結(jié)構(gòu)，該連接部位采用三維七向織物結(jié)構(gòu)，三維編織復(fù)合材料腿部假肢預(yù)制體及內(nèi)嵌金屬增強(qiáng)件連接件組合編織完成后在厚度方向采用特定纖維二次鋪縫強(qiáng)化，鋪縫纖維選用T800碳纖維，二次鋪縫編織強(qiáng)化所用的鋪縫纖維比例占腿部假肢部件三維織物預(yù)制體纖維比例的30%。腿部假肢與腳部假肢的連接，采用內(nèi)嵌入的金屬增強(qiáng)件通過螺栓連接完成。所用的螺栓規(guī)格根據(jù)人體部位的大小和形狀規(guī)格靈活調(diào)整。
[0052]第三，采用真空導(dǎo)入與快速熱固化結(jié)合的復(fù)合成型工藝，針對于以上三維立體編織假肢構(gòu)件的預(yù)制體，采用熱固性環(huán)氧樹脂膠黏劑為基體，采用VARI真空導(dǎo)入工藝實現(xiàn)樹脂膠液對混雜纖維立體結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速浸漬，熱固化過程在大型烘箱中進(jìn)行，整個固化過程保持真空體系連續(xù)工作，真空度保持在0.85MPa。浸漬樹脂后的假肢部件于70°C固化2小時后成型，含膠量保持在36%。利用以上實施例加工的假肢產(chǎn)品，相比于對比例3的假肢產(chǎn)品，使用壽命提高60 %以上，假肢構(gòu)件在厚度方向的強(qiáng)度提高55 %以上和剛度提高65 %以上。
[0053]對比例3:與實施例3的區(qū)別是，對比例3的腳部假肢三維立體編織預(yù)制體和腿部三維立體編織預(yù)制體沒有采用二次鋪縫強(qiáng)化，其他與實施例3的相同，最終制備假肢的尺寸規(guī)格與實施例3的相同。
[0054]結(jié)論:當(dāng)制備完成的三維立體編織預(yù)制體在厚度方向不采用二次鋪縫強(qiáng)化時，制備出來的假肢產(chǎn)品的力學(xué)性能和壽命不如本實用新型的試驗效果好，可見二次鋪縫強(qiáng)化處理的重要性。
[0055]實施例4
[0056]本實用新型涉及一種利用三維立體纖維織物增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制備的腳部和腿部假肢，其制備方法如下。第一，三維編織復(fù)合材料腳部假肢的制備。腳部假肢構(gòu)件采用纖維織物三維立體編織一體化成型技術(shù)，仿照腳部結(jié)構(gòu)采用中空結(jié)構(gòu)形式，利用T800碳纖維與UHMffPE纖維混雜作為三維織物制備的長絲纖維原料，其中碳纖維和芳綸纖維的混雜比例為1:1，采用三維六向織物結(jié)構(gòu)進(jìn)行腳部假肢構(gòu)件的主體設(shè)計，其中在腳后跟部位采用內(nèi)嵌入金屬增強(qiáng)件的復(fù)合結(jié)構(gòu)，此部位的三維織物采用三維七向結(jié)構(gòu);在腳底部位采用二維疊層織物模壓復(fù)合材料增強(qiáng)件內(nèi)嵌入三維織物預(yù)制體內(nèi)以起到強(qiáng)化作用，此部位的三維織物采用三維七向結(jié)構(gòu);在腳踝與小腿假肢的連接部位采用金屬增強(qiáng)件內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)以備與腿部假肢進(jìn)行牢固連接，此部位的三維織物采用三維五向結(jié)構(gòu)。對于腳部假肢構(gòu)件三維織物預(yù)制體及內(nèi)部的增強(qiáng)件嵌入之后在厚度方向采用特定纖維二次鋪縫強(qiáng)化，縫編增強(qiáng)纖維可選用T800碳纖維。二次鋪縫編織強(qiáng)化所用的鋪縫纖維比例占到腳部假肢部件三維織物預(yù)制體纖維比例的29 %。
[0057]第二，三維編織復(fù)合材料腿部假肢的制備。小腿部假肢構(gòu)件采用高性能纖維織物三維立體編織的橢圓形中空結(jié)構(gòu)，選用M40J碳纖維與芳綸纖維混雜使用，混雜纖維比例為8:1，采用三維四向織物結(jié)構(gòu)進(jìn)行小腿部假肢構(gòu)件的主體設(shè)計，其中腿部假肢構(gòu)件與腳部假肢連接部位采用內(nèi)嵌金屬增強(qiáng)件強(qiáng)化的復(fù)合結(jié)構(gòu)，該連接部位采用三維五向織物結(jié)構(gòu)，三維編織復(fù)合材料腿部假肢預(yù)制體及內(nèi)嵌金屬增強(qiáng)件連接件組合編織完成后在厚度方向采用特定纖維二次鋪縫強(qiáng)化，縫編增強(qiáng)纖維選用T700碳纖維，二次鋪縫編織強(qiáng)化所用的鋪縫纖維比例占腿部假肢部件三維織物預(yù)制體纖維比例的5%。腿部假肢與腳部假肢的連接，采用內(nèi)嵌入的金屬增強(qiáng)件通過螺栓連接完成。所用的螺栓規(guī)格根據(jù)人體部位的大小和形狀規(guī)格靈活調(diào)整。
[0058]第三，采用真空導(dǎo)入與快速熱固化結(jié)合的復(fù)合成型工藝，針對于以上三維立體編織假肢構(gòu)件的預(yù)制體，采用熱固性酚醛樹脂膠黏劑為基體，采用VARI真空導(dǎo)入工藝實現(xiàn)樹脂膠液對混雜纖維立體結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速浸漬，熱固化過程在大型烘箱中進(jìn)行，整個固化過程保持真空體系連續(xù)工作，真空度保持在0.1MPa。浸漬樹脂后的假肢部件于78°C固化3小時后成型，含膠量保持在45%。利用以上實施例加工的假肢產(chǎn)品，相比與對比例4，其使用壽命提高70%以上，假肢構(gòu)件在厚度方向的強(qiáng)度提高70%以上和剛度提高一倍以上。
[0059]對比例4:與實施例4的區(qū)別是，(I)腳部假肢三維立體編織預(yù)制體的纖維只選用T800碳纖維；(2)腿部假肢三維立體編織預(yù)制體的纖維只選用M40J碳纖維，其他與實施例4的相同，最終制備假肢的尺寸規(guī)格與實施例4的相同。
[0060]結(jié)論:當(dāng)選用不合適的纖維制備三維立體編織腳部和腿部假肢時，制備出來的假肢產(chǎn)品的力學(xué)性能和壽命不如本實用新型的試驗效果好。[0061 ] 實施例5
[0062]一種三維編織復(fù)合材料假肢，包括三維編織復(fù)合材料腳部假肢I(xiàn)和三維編織復(fù)合材料小腿假肢5;
[0063]如圖1所示，所述三維編織復(fù)合材料腳部假肢I(xiàn)是由現(xiàn)有技術(shù)常規(guī)的纖維制成的腳部假肢三維立體編織預(yù)制體(本領(lǐng)域人員可以常規(guī)制得)、沿所述腳部假肢三維立體編織預(yù)制體厚度方向進(jìn)行鋪縫所形成的并由鋪縫纖維組成的結(jié)構(gòu)和熱固性樹脂三者復(fù)合成型;所述腳部假肢為內(nèi)部中空并具有腳尖、腳底、腳后跟和腳踝的腳部結(jié)構(gòu)，其中，所述腳底處的三維立體編織預(yù)制體內(nèi)設(shè)有二維疊層織物模壓復(fù)合材料增強(qiáng)件3，所述腳后跟處三維立體編織預(yù)制體內(nèi)設(shè)有第一金屬增強(qiáng)件2，與所述腿部假肢相連接的腳踝處的三維立體編織預(yù)制體內(nèi)設(shè)有第二金屬增強(qiáng)件4;
[0064]如圖2所示，所述三維編織復(fù)合材料小腿假肢5是由現(xiàn)有技術(shù)常規(guī)的纖維制成的腿部假肢三維立體編織預(yù)制體(本領(lǐng)域人員可以常規(guī)制得)、沿所述腿部假肢三維立體編織預(yù)制體厚度方向進(jìn)行鋪縫所形成的并由鋪縫纖維組成的結(jié)構(gòu)和熱固性樹脂三者復(fù)合成型;所述小腿假肢5為內(nèi)部中空并且中空橫截面為橢圓形的結(jié)構(gòu)，與所述腳踝相連接的腿部假肢處的三維立體編織預(yù)制體內(nèi)設(shè)有第三金屬增強(qiáng)件6。
【主權(quán)項】
1.一種三維編織復(fù)合材料假肢，包括三維編織復(fù)合材料腳部假肢和三維編織復(fù)合材料腿部假肢，其特征是: 所述腳部假肢為內(nèi)部中空并具有腳尖、腳底、腳后跟和腳踝的腳部結(jié)構(gòu)，其中，所述腳底設(shè)有二維疊層織物模壓復(fù)合材料增強(qiáng)件，所述腳后跟以及與所述腿部假肢相連接的腳踝均設(shè)有金屬增強(qiáng)件； 所述腿部假肢為內(nèi)部中空并且中空橫截面為橢圓形的結(jié)構(gòu)，與所述腳踝相連接的腿部假肢設(shè)有金屬增強(qiáng)件。2.如權(quán)利要求1所述的假肢，其特征是:所述三維編織復(fù)合材料腳部假肢是由第一三維立體編織預(yù)制體、第一鋪縫結(jié)構(gòu)和熱固性樹脂復(fù)合成型，所述第一鋪縫結(jié)構(gòu)是鋪縫纖維沿所述第一三維立體編織預(yù)制體的厚度方向鋪縫所形成的結(jié)構(gòu)。3.如權(quán)利要求1所述的假肢，其特征是:所述三維編織復(fù)合材料腿部假肢是由第二三維立體編織預(yù)制體、第二鋪縫結(jié)構(gòu)和熱固性樹脂復(fù)合成型，所述第二鋪縫結(jié)構(gòu)是鋪縫纖維沿所述第二三維立體編織預(yù)制體的厚度方向鋪縫所形成的結(jié)構(gòu)。4.如權(quán)利要求2或3所述的假肢，其特征是:所述鋪縫纖維選用碳纖維T300、T700或T800中的任意一種或多種混雜使用。5.如權(quán)利要求2所述的假肢，其特征是:所述熱固性樹脂為環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂的任意一種。
【文檔編號】A61L27/44GK205494477SQ201620177814
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月9日
【發(fā)明人】朱波, 曹偉偉, 喬琨, 王永偉, 趙圣堯
【申請人】山東中恒碳纖維科技發(fā)展有限公司