一种三维编织复合材料假肢及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种三维编织复合材料假肢及其制备方法，通过多种高性能纤维，利用多种三维立体编织结构组合的技术，进行三维编织复合材料脚部和小腿部假肢构件的制备。在腿部或脚部假肢构件三维织物预制体编织完成后，在预制体厚度方向采用特定纤维进行二次铺缝强化。同时在假肢构件频繁耐弯、耐压的部位采用金属增强件或复合材料构件内嵌强化方法以提高该部位的抗疲劳载荷的能力。最后热固性树脂胶液为基体，浸渍上述预制体，复合固化成型。通过腿部和脚部假肢构件的结构设计和组合式三维编织复合材料的成型，在达到假肢构件轻质便携目的的基础上，有效提高复合材料假肢的整体力学性能和抗疲劳载荷的性能，同时可提高假肢制备的效率和使用寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种复合材料假肢，特别涉及一种应用三维编织纤维织物增强的树脂基复合材料腿部和脚部假肢及其制备方法。
技术介绍
康复医学是医学中的一门相对跨专业的综合性学科，融合了医学工程、生物工程学、仿生学以及复合材料科学等多门学科的先进知识和技术。其中康复工程技术可用在假肢、矫形器等关键的制品领域，对于残疾人的生活质量提高和保证学习以及职业劳动的正常进行具有重要意义。近年来，高性能纤维增强复合材料在假肢领域得到广泛的应用，以高分子聚合物树脂作为基体，以高性能纤维不同织物增强的复合材料比其他材质的假肢更为美观、轻便，而且应用耐久度、弹性、韧性以及耐环境变化等性能均体现出较高的优势，具有较大的推广价值。详细来讲，高性能纤维增强复合材料的假肢尤其是运动型的小腿和脚部组合而成假肢，对于提高残疾人的行动能力，特别是竞技运动中运动员的能力水平的提高具有特别突出的优势，其质量轻、刚性大、富有弹性，能够比其他类型材质的性能具有成倍甚至十几倍的提升。而目前在市场上流行或推广的复合材料腿部以及脚部的假肢，均采用常规纤维织物成型方式制备。第一，一般采用的纤维排布增强方式为平纹、斜纹或缎纹织物，通过厚度方向叠层后利用树脂浸渍模压成型，这种平面织物的复合材料具有较大的刚性，但是层间的结合力薄弱限制了其作为运动型关节部位的力学性能的稳定，尤其是利用该成型方式的平面织物复合材料制备脚部假肢，无法适应长期的频繁的弯曲疲劳载荷作用；第二，采用高性能纤维单向排布浸渍树脂胶液形成预浸带，通过纤维二维缠绕结构方式以干法真空导入成型方式和制备脚部或腿部的复合材料假肢结构部件，纤维的单向排布对于脚部疲劳弯曲载荷的提高具有明显优势，但是二维纤维缠绕技术成型的腿部假肢无法长期抵抗身体重量带来的压缩载荷，而使得腿部假肢的构件寿命及力学稳定性受到考验。而目前普通的三维复合材料的假肢只是采用碳纤维或者其他纤维编织，并没有针对脚部和腿部的结构和受力特点进行设计，故得到的假肢的力学性能并不理想，使用寿命较短，所以亟需一种新型三维编织复合材料假肢。
技术实现思路
三维立体编织纤维织物增强复合材料具有各向同性材质的力学特性，其无论在平面二维方向还是在厚度方向上均具有较高的强度、刚度、减震以及环境耐久度，利用纤维三维立体编织结构增强的树脂基复合材料进行脚部假肢构件的制备，可以通过脚部仿生结构的合理设计达到较高的弹性、韧性以及抗疲劳载荷的性能，同时利用纤维立体编织结构增强树脂基复合材料制备的腿部假肢构架也可以有效的提高对于人体重量的承载和频繁往复的压缩载荷作用。本专利技术即针对腿部和脚部部位进行复合材料假肢的结构设计以及制备技术公开，通过混杂纤维三维编织技术，仿照脚部形状进行三维织物预制体的制备，同时在特定疲劳承载部位采用了多种立体编织结构组合应用的技术，以保证脚部三维编织复合材料构件的耐弯曲疲劳的特点。在腿部假肢构件的制备中采用了变截面椭圆筒编织技术，在腿部与脚部的连接部位采用了金属内嵌件连接形式，保证二者的牢固结合和抗疲劳载荷的特点。通过以上两个不同部位假肢构件的结构设计和组合制备，在达到轻质便携目的的基础上，有效提高复合材料假肢的整体力学性能和抗疲劳载荷的性能，同时可大大提高假肢制备的效率。本专利技术采用以下技术方案具体如下：一种三维编织复合材料假肢，包括三维编织复合材料脚部假肢和三维编织复合材料腿部假肢；所述三维编织复合材料脚部假肢是由高强度纤维和高韧性纤维混杂制成的脚部假肢三维立体编织预制体、铺缝纤维沿所述脚部假肢三维立体编织预制体厚度方向进行铺缝所形成的结构和热固性树脂三者复合成型；所述脚部假肢为内部中空并具有脚尖、脚底、脚后跟和脚踝的脚部结构，其中，所述脚底处的三维立体编织预制体内设有二维叠层织物模压复合材料增强件，所述脚后跟以及与所述腿部假肢相连接的脚踝处的三维立体编织预制体内均设有金属增强件；所述三维编织复合材料腿部假肢是由高刚度纤维和高韧性纤维混杂制成的腿部假肢三维立体编织预制体、铺缝纤维沿所述腿部假肢三维立体编织预制体厚度方向进行铺缝所形成的结构和热固性树脂三者复合成型；所述腿部假肢为内部中空并且中空横截面为椭圆形的结构，与所述脚踝相连接的腿部假肢处的三维立体编织预制体内设有金属增强件。所述三维编织复合材料脚部假肢，仿照脚部结构采用中空结构形式，所用的纤维以高强度纤维配合高韧性纤维混杂使用，有效提高中空结构脚部假肢抵抗破坏和频繁弯折的特性，其中高强度纤维可选用高强度碳纤维，高强度碳纤维为T300及其以上的碳纤维，主要为T300、T700或T800中的任意一种或多种，高韧性纤维可选用UHMWPE纤维、芳纶纤维中的一种或多种混杂使用，两种纤维的混杂体积比例为1:1到10:1，根据脚部受力要求和特定结构部位要求而灵活调整。所述三维编织复合材料脚部假肢所用的纤维编织工艺采用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向以及其他三维多向不同编织结构设计，其中为提高脚部假肢的弹性和韧性，在脚后跟部位采用内嵌入金属增强件的复合结构，优选的，为进一步提高脚部假肢的弹性和韧性，所述脚后跟为S形状或近S形状；在脚底部位采用二维叠层织物模压复合材料增强件内嵌入三维织物预制体内以起到强化作用，所述“二维叠层织物模压复合材料”为本领域的常规技术名词，即为采用模压技术和二维叠层编织技术制成的复合材料；在脚踝与小腿假肢的连接部位采用金属增强件内嵌结构以备与腿部假肢进行良好连接。其中内嵌部位的三维织物预制体采用多种立体编织结构组合应用的技术，其靠近内嵌件的三维立体编织维度要高于其它主体部位的编织维度。所述三维编织复合材料脚部假肢预制体及内嵌件组合编织完成后，采用特种纤维进行二次铺缝编织强化，所用的铺缝纤维为高强度碳纤维，高强度碳纤维为T300及其以上的碳纤维，可选用T300、T700或T800中的任意一种或多种混杂使用。二次铺缝编织强化所用的铺缝纤维比例占到脚部假肢三维织物预制体纤维比例的5-40％。本专利技术的脚部和腿部的的三维立体编织预制体的纤维类型、比例以及排布方向组合是根据下肢的结构特点和运动而特定选择的，是专利技术人经过长期的实验测试得到的，本专利技术通过恰当地选择脚部和腿部的纤维混杂类型以及比例，既保证了较高的刚度和强度，也具有较高的弹性和韧性，提高了其使用寿命。具体如下：假脚的主要作用是支撑机体质量，在运动中产生动力。本专利技术根据仿照脚部结构特点和脚部产生的动力学特点，首先，将其设计为中空结构形式，并特别选用高强度纤维和高韧性纤维相互混杂，其中，高强度碳纤维强度较高，高韧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维编织复合材料假肢，包括三维编织复合材料脚部假肢和三维编织复合材料腿部假肢，其特征是：所述三维编织复合材料脚部假肢是由高强度纤维和高韧性纤维混杂制成的脚部假肢三维立体编织预制体、铺缝纤维沿所述脚部假肢三维立体编织预制体厚度方向进行铺缝所形成的结构和热固性树脂三者复合成型；所述脚部假肢为内部中空并具有脚尖、脚底、脚后跟和脚踝的脚部结构，其中，所述脚底处的三维立体编织预制体内设有二维叠层织物模压复合材料增强件，所述脚后跟以及与所述腿部假肢相连接的脚踝处的三维立体编织预制体内均设有金属增强件；所述三维编织复合材料腿部假肢是由高刚度纤维和高韧性纤维混杂制成的腿部假肢三维立体编织预制体、铺缝纤维沿所述腿部假肢三维立体编织预制体厚度方向进行铺缝所形成的结构和热固性树脂三者复合成型；所述腿部假肢为内部中空并且中空横截面为椭圆形的结构，与所述脚踝相连接的腿部假肢处的三维立体编织预制体内设有金属增强件。

【技术特征摘要】
1.一种三维编织复合材料假肢，包括三维编织复合材料脚部假肢和三维编织复合材料
腿部假肢，其特征是：
所述三维编织复合材料脚部假肢是由高强度纤维和高韧性纤维混杂制成的脚部假肢三
维立体编织预制体、铺缝纤维沿所述脚部假肢三维立体编织预制体厚度方向进行铺缝所形
成的结构和热固性树脂三者复合成型；所述脚部假肢为内部中空并具有脚尖、脚底、脚后
跟和脚踝的脚部结构，其中，所述脚底处的三维立体编织预制体内设有二维叠层织物模压
复合材料增强件，所述脚后跟以及与所述腿部假肢相连接的脚踝处的三维立体编织预制体
内均设有金属增强件；
所述三维编织复合材料腿部假肢是由高刚度纤维和高韧性纤维混杂制成的腿部假肢三
维立体编织预制体、铺缝纤维沿所述腿部假肢三维立体编织预制体厚度方向进行铺缝所形
成的结构和热固性树脂三者复合成型；所述腿部假肢为内部中空并且中空横截面为椭圆形
的结构，与所述脚踝相连接的腿部假肢处的三维立体编织预制体内设有金属增强件。
2.如权利要求1所述的假肢，其特征是：所述高强度纤维选用高强度碳纤维，所述高强
度碳纤维为T300及其以上的碳纤维；优选的，所述高强度纤维为T300、T700、T800的一种
或多种组合。
3.如权利要求1所述的假肢，其特征是：所述高韧性纤维选用UHMWPE纤维、芳纶纤
维中的一种或两种组合；优选的，所述高强度纤维与高韧性纤维的混杂体积比例为1:1～10:1。
4.如权利要求1所述的假肢，其特征是：所述高刚度纤维为M40J或M460J；优选的，
所述高刚度纤维与高韧性纤维的混杂体积比例为1:1到10:1。
5.如权利要求1所述的假肢，其特征是：铺缝纤维选用碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱波，曹伟伟，乔琨，王永伟，赵圣尧，
申请(专利权)人：山东中恒碳纤维科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37