碳纤维复合材料的特性及其碳纤维运动假肢的发展

随着社会的进步与发展,残疾人的生活受到越来越多的关注,政府也在加大力度鼓励残疾人多参加一些社会活动。伴随着残疾人的运动需求的增长,越来越多的残疾人运动辅具应运而生。2008年北京残奥会,南非无腿飞人皮斯托瑞斯百米成绩仅比奥运飞人博尔特慢了1s,这一成绩除了日常的艰苦训练之外,还应与他腿上所佩戴的重量仅为3.6kg的名为“刀锋”的碳纤维假肢有关。

皮斯托瑞斯与所佩戴的“刀锋”碳纤维假肢一同连续26次打破残疾人世界纪录,这也让世界都对碳纤维假肢报以巨大的关注度。碳纤维材料不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代特别增强纤维。随着碳纤应用技术的不断成熟,碳纤维在航空航天、工业、汽车、医疗等众多领域都的到了广泛应用。

碳纤维是一种含碳量在95%以上的新型纤维材料,不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代特别增强纤维。作为一种高性能纤维,该材料已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用,从航空航天、自动化、机械、工业生产等民用到工业生产再到运动器材和休闲用品等团。

近年来,碳纤维在运动领域得到了广泛的应用。为了让大家更具体的了解碳纤维运动假肢方面的发展,我们邀请了在碳纤维假肢领域研究多年的苏州挪恩复材的陈工,从碳纤维材料所具有的特性方面阐述碳纤维运动假肢的发展

1、比强度、比模量高

碳纤维具有比强度高、比模量高的特性。比强度高的材料能够承受很强的应力,比模量意味着材料轻且刚性大,因此碳纤维材料对于其他金属材料用作假肢材料上更具有优势。

2、密度低

碳纤维材料具有密度低的特点,在能承受高温的结构中,它是最轻的材料。由于假肢尤其是运动假肢对材料的密度有较高要求,轻便的运动假肢不仅能够给运动员带来使用上的舒适性,还有助于其水平的提高。此外,碳纤维材料的断裂韧性较高,能够适应运动员前期的爆发力,因此相对于其他材料而言,碳纤维材料在重量上和抗断裂新上特别适用于短跑运动假肢的开发。

3、抗疲劳性

疲劳强度是指材*无数次的反复无穷次循环下不发生破坏的最大应力,叫做疲劳强度或疲劳极限。碳纤维材料本身所固有的结构稳定,制成的复合材料经过应力疲劳数百万次的实验后,其强度保留率仍有60%,而钢材为40%,铝材为30%,而玻璃钢则只有20%。

4、各向异性

碳纤维除了具有一般碳素材料耐腐蚀、耐摩檫的特性以外,又兼备纤维的柔软,可加工成各种织物,是科技进步下的产物。碳纤维凭借其良好的强度,可用作假肢接受腔内部的加强材料。将碳纤维制成预浸料,利用铁芯卷制方法和模压成型工艺制作假肢的支撑构件和支撑杆,实现假肢的高强度和轻量化。

早在1984年,美匡工程师Van Phillip首次将碳纤维材料应用到运动假肢中,设计出的碳纤维假肢通过利用碳纤维材料对小腿和足跟进行一定程度的韧性设计,使其能够在跑动过程中产生轻微的弯曲形变吸收能量,当形变恢复时释放能量。

1988年残奥会上的单侧膝下截肢组100m跑比赛中,以11.73s的成绩获得冠军。此后碳纤维假肢凭借其重量轻、可靠性佳的特点在截肢短跑运动中得到广泛的应用。

通多研究表明,碳纤维假肢在400m后程更占优势,一些顶尖运动员在400m呈的平均速度已经非常接近顶尖健全运动员的平均速度,这表明碳纤维运动假肢凭借其结构和材料上的特点,能够充分发挥其在前阶段存储能量的特占并在奔跑后程释放能量,这样既能节省运动员的体力,同时也能为运动员的后期冲刺做好能量储备。

碳纤维假肢想要大力普及,首先是如何尽量降低碳纤维运动假肢的成本,碳纤维假肢由于材料昂贵和制作工艺上复杂,导致其价格昂贵,很难被更为广泛的运动员吏用;其次是如何在碳纤维材料及假肢结构上根据不同运动员的竞技特征进行优化调整,如不同运动员可能擅长不同的比赛阶段,使运动员发挥自身最大的运动潜力;最后是应用传感器技术测量不同奔跑阶段的碳纤维运动假肢的受力情况,为结构和材料优化和耐久测试提供实验基础。

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