CN105641751A - 一种三维编织复合材料假肢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种三维编织复合材料假肢及其制备方法

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

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。本发明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。

本发明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％。

本发明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，是发明人经过长期的实验测试得到的，本发明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。本发明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，高韧性纤维中的芳纶纤维具有良好的抗冲击和耐疲劳性能、有良好的介电性和化学稳定性、耐屈折性和加工性能好，UHMWPE纤维的耐冲击性能、耐磨性能和耐疲劳性能优异，经过发明人长期实验测试得到，采用高强度碳纤维与高韧纤维混杂组合，产生混杂增强其强度和韧性的效应，制备得到的三维编织复合材料的脚部假肢具有优异的强度和韧性，使得脚部假肢的承载能力更强，混杂比例优选为1:1～10:1，当比例数值小于1时，脚部假肢韧性较大但强度较小，当比例数值大于10时，脚部假肢的韧性较小强度过大，两种情况均不满足使用要求；其次，在预制体厚度方向上进行二次铺缝强化，进一步提高脚部假肢构件在厚度方向上的强度和刚度，有利于提高整体脚部假肢的力学性能；另外，从动力学观点来看，脚在支撑前期储存能量，而在脚后跟部位采用金属增强件的复合结构，大幅度增加了其能量储存，进一步的，而S型脚后跟的设计使其犹如弹簧一样，加大其弹性势能，在后期可释放更多的能量；还有，脚部的脚底承载的机体力量较大，将脚底部采用二维叠层织物模压复合材料增强件进行强化，保证直立时足底支撑的稳固性。

假腿将机体重量传递至脚部，在行走过程中活动自如。本发明根据此特点，首先，采用了变截面椭圆形中空编织技术，实验证明采用椭圆形中空结构，对支撑身体稳定性起到了重要作用，并具有容纳残肢、传递残肢与假肢之间的作用力的作用，并特别选用高刚度纤维和高韧性纤维相互混杂，经过发明人长期实验测试得到，采用高刚度纤维与高韧纤维混杂组合，产生混杂增强其刚度和韧性的效应，制备得到的三维编织复合材料的腿部假肢具有优异的刚度度和韧性，提高了抗疲劳载荷的特点，混杂比例优选为1:1～10:1，当比例数值小于1时，脚部假肢韧性较大但刚度较小，当比例数值大于10时，脚部假肢的韧性较小刚度过大，两种情况均不满足使用要求；其次，在预制体厚度方向上进行二次铺缝强化，进一步提高腿部假肢构件在厚度方向上的强度和刚度，有利于提高整体腿部假肢的力学性能；另外，在腿部和脚部的连接部位采用了金属增强件内嵌件连接形式，保证二者的牢固结合和抗疲劳载荷的特点。

所述腿部假肢采用高性能纤维织物三维立体编织的椭圆形中空结构，截面形状及厚度可根据不同人腿部结构进行灵活调整，主要涉及部位为小腿部位形状，所用的纤维可选用高刚度纤维配合高韧性纤维混杂应用，其中高刚度纤维可选用碳纤维(M40J或M460J中的任意一种)，高韧性纤维可选用UHMWPE纤维、芳纶纤维的一种或多种混杂使用，高刚度纤维与高韧性纤维的混杂使用的体积比例为1:1到10:1，根据小腿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腿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，腿部假肢与脚部假肢连接部位采用内嵌金属增强件强化的复合结构，对于三维编织复合材料腿部假肢预制体及内嵌件组合编织完成后在厚度方向采用特定纤维二次铺缝强化。

所述的腿部假肢构件的二次铺缝编织强化，铺缝纤维可选用碳纤维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纤维比例占到腿部假肢三维立体编织预制体纤维体积比例的5-40％。

优选的，所述热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂的任意一种，最终制得的三维编织复合材料假肢树脂的含量为35～50％。

所述的腿部假肢与脚部假肢的连接，采用内嵌入的金属增强件通过螺栓连接完成。所用的螺栓规格根据人体部位的大小和形状规格灵活调整。

本发明还提供所述三维编织复合材料假肢的制备方法，包括：

(1)利用高强度纤维和高韧性纤维混杂纤维制成中空的脚部假肢三维立体编织预制体，在编织过程中对脚后跟和脚踝处的预制体内嵌入金属增强件、对脚底处的预制体内嵌入复合材料构件，然后采用铺缝纤维在脚部假肢三维立体编织预制体的厚度方向上进行二次铺缝强化；

(2)利用高刚度纤维和高韧性纤维混杂纤维制成中空且中空的横截面为椭圆形的腿部假肢三维立体编织预制体，在编织过程中对与所述脚踝相连接的腿部假肢处的预制体内嵌入金属增强件，然后采用铺缝纤维在腿部假肢三维立体编织预制体的厚度方向上进行二次铺缝强化；

(3)将(1)中铺缝后的脚部假肢预制体和(2)中铺缝后的腿部假肢连接，采用热固性树脂胶液为基体，对连接后的假肢预制体浸渍、复合固化成型。

步骤(3)中，复合固化成型采用真空导入与快速热固化结合的复合成型工艺，针对以上三维立体编织及二次铺缝强化后的假肢预制体，采用热固性树脂胶液(环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等中的任意一种)为基体，采用VARI真空导入工艺实现树脂胶液对混杂纤维立体结构的快速浸渍，热固化过程在大型烘箱中进行，整个固化过程保持真空体系工作，真空度保证在0.06-0.1MPa范围内，浸渍树脂后假肢含胶量保持在35-50％，固化温度和时间根据树脂特性灵活调整。

采用纤维织物三维立体编织一体化成型技术，仿照脚部结构采用中空结构形式，在编织过程中对与脚部特定部位采用金属构件或复合材料构件内嵌强化，同时脚部特定部位的编织结构与整体脚部结构可有不同，将多种立体编织结构组合形成整体

本发明与现有的复合材料腿部或脚部假肢相比具有以下主要优点：

(1)采用三维立体纤维织物增强树脂基复合材料制备腿部或脚部假肢构件，可根据人体仿生学要求，灵活设计假肢的外型；同时可以根据假肢构件力学性能要求进行特定部位的结构设计，以实现不同部位的疲劳载荷强度的针对性提高，有效提高复合材料假肢的使用寿命的环境耐久度。

(2)对上述三维多向立体编织假肢预制体构件沿厚度方向进行二次铺缝编织结构强化，可进一步提高假肢构件在厚度方向的强度和刚度。三维编织与二次铺缝编织处理相结合，一次性完成预制体制备，生产效率较高。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。

附图说明

图1是三维编织复合材料脚部假肢示意图。

图2是三维编织复合材料腿部假肢示意图。

其中，1、脚部假肢，2、第一金属增强件，3、复合材料增强件，4、第二金属增强件，5、小腿假肢，6、第三金属增强件。

具体实施方式

本发明涉及一种利用三维立体纤维织物增强的树脂基复合材料腿部和脚部假肢，下面结合实施例进一步说明。

实施例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1和三维编织复合材料小腿假肢5；

如图1所示，所述三维编织复合材料脚部假肢1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、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并由铺缝纤维组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3，所述脚后跟处三维立体编织预制体内设有第一金属增强件2，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设有第二金属增强件4；

如图2所示，所述三维编织复合材料小腿假肢5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、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并由铺缝纤维组成的结构和热固性树脂三者复合成型；所述小腿假肢5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第三金属增强件6。

上述三维编织复合材料假肢制备方法如下。第一，三维编织复合材料脚部假肢的制备。脚部假肢构件采用纤维织物三维立体编织一体化成型技术，仿照脚部结构采用中空结构形式，利用T300碳纤维与芳纶纤维混杂作为三维织物制备的长丝纤维原料，其中碳纤维和芳纶纤维的混杂比例为1:1，采用三维四向织物结构进行脚部假肢构件的主体设计，其中在脚后跟部位采用内嵌入第一金属增强件2的复合结构，此部位的三维织物采用三维五向结构；在脚底部位采用二维叠层织物模压复合材料增强件3内嵌入三维织物预制体内以起到强化作用，此部位的三维织物采用三维六向结构；在脚踝与小腿假肢的连接部位采用第二金属增强件4内嵌结构以备与腿部假肢1进行牢固连接，此部位的三维织物采用三维五向结构。对于脚部假肢构件三维织物预制体及内部的增强件嵌入之后在厚度方向采用特定纤维二次铺缝强化，铺缝纤维可选用T700碳纤维。二次铺缝编织强化所用的铺缝纤维比例占到脚部假肢部件三维织物预制体纤维比例的15％。

第二，三维编织复合材料腿部假肢的制备。小腿部假肢构件采用高性能纤维织物三维立体编织的椭圆形中空结构，选用M40J碳纤维与UHMWPE纤维混杂使用，混杂纤维比例为2:1，采用三维四向织物结构进行小腿部假肢构件的主体设计，其中腿部假肢构件与脚部假肢连接部位采用内嵌第三金属增强件6的复合结构，该连接部位采用三维五向织物结构，三维编织复合材料腿部假肢预制体及内嵌金属连接件组合编织完成后在厚度方向采用特定纤维二次铺缝强化，铺缝纤维选用T800碳纤维，二次铺缝编织强化所用的铺缝纤维比例占腿部假肢部件三维织物预制体纤维比例的20％。腿部假肢与脚部假肢的连接，采用内嵌入的金属增强件通过螺栓连接完成。所用的螺栓规格根据人体部位的大小和形状规格灵活调整。

第三，采用真空导入与快速热固化结合的复合成型工艺，针对于以上三维立体编织假肢构件的预制体，采用热固性环氧树脂胶黏剂为基体，采用VARI真空导入工艺实现树脂胶液对混杂纤维立体结构进行快速浸渍，热固化过程在大型烘箱中进行，整个固化过程保持真空体系连续工作，真空度保持在0.09MPa。浸渍树脂后的假肢部件于80℃固化3小时后成型，含胶量保持在40％。利用以上实施例加工的假肢产品，相对于对比例1的假肢产品，使用寿命提高80％以上，假肢构件在厚度方向的强度提高30％以上和刚度提高20％以上。

对比例1：与实施例1的区别是，对比例1中不设有第一金属增强件、第二金属增强件、第三金属增强件和复合材料增强件，脚部假肢和腿部假肢连接采用螺栓常规进行连接，其他与实施例1的相同，最终制备假肢的尺寸规格与实施例1的相同。

结论：当三维立体编织脚部和腿部假肢不设有金属增强件和复合材料增强件时，制备出来的假肢产品的力学性能和寿命不如本发明的试验效果好，尤其是使用寿命，可见金属增强件和复合材料增强件的必要性。

实施例2

本发明涉及一种利用三维立体纤维织物增强树脂基复合材料制备的脚部和腿部假肢，其制备方法如下。第一，三维编织复合材料脚部假肢的制备。脚部假肢构件采用纤维织物三维立体编织一体化成型技术，仿照脚部结构采用中空结构形式，利用T700碳纤维与芳纶纤维混杂作为三维织物制备的长丝纤维原料，其中碳纤维和芳纶纤维的混杂比例为1:1，采用三维五向织物结构进行脚部假肢构件的主体设计，其中在脚后跟部位采用内嵌入金属增强件的复合结构，此部位的三维织物采用三维五向结构；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，此部位的三维织物采用三维六向结构；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牢固连接，此部位的三维织物采用三维六向结构。对于脚部假肢构件三维织物预制体及内部的增强件嵌入之后在厚度方向采用特定纤维二次铺缝强化，铺缝纤维可选用T300碳纤维。二次铺缝编织强化所用的铺缝纤维比例占到脚部假肢部件三维织物预制体纤维比例的22％。

第二，三维编织复合材料腿部假肢的制备。小腿部假肢构件采用高性能纤维织物三维立体编织的椭圆形中空结构，选用M60J碳纤维与芳纶纤维混杂使用，混杂纤维比例为3:1，采用三维四向织物结构进行小腿部假肢构件的主体设计，其中腿部假肢构件与脚部假肢连接部位采用内嵌金属增强件强化的复合结构，该连接部位采用三维五向织物结构，三维编织复合材料腿部假肢预制体及内嵌金属增强件组合编织完成后在厚度方向采用特定纤维二次铺缝强化，铺缝纤维选用T300碳纤维，二次铺缝编织强化所用的铺缝纤维比例占腿部假肢部件三维织物预制体纤维比例的30％。腿部假肢与脚部假肢的连接，采用内嵌入的金属增强件通过螺栓连接完成。所用的螺栓规格根据人体部位的大小和形状规格灵活调整。

第三，采用真空导入与快速热固化结合的复合成型工艺，针对于以上三维立体编织假肢构件的预制体，采用热固性不饱和聚酯树脂胶黏剂为基体，采用VARI真空导入工艺实现树脂胶液对混杂纤维立体结构进行快速浸渍，热固化过程在大型烘箱中进行，整个固化过程保持真空体系连续工作，真空度保持在0.06MPa。浸渍树脂后的假肢部件于70℃固化2.5小时后成型，含胶量保持在37％。利用以上实施例加工的假肢产品，相比于对比例2的假肢产品，使用寿命提高60％以上，假肢构件在厚度方向的强度提高65％以上和刚度提高70％以上。

对比例2：与实施例2的区别是，对比例2的脚部假肢预制体中碳纤维和芳纶纤维的混杂比例为1:2，腿部假肢预制体中的M60J碳纤维与芳纶纤维混杂纤维体积比例为1:3，其他与实施例2的相同，最终制备假肢的尺寸规格与实施例2的相同。

结论：当选用不恰当的纤维混杂比例组合的混杂纤维制备三维立体编织脚部和腿部假肢时，制备出来的假肢产品的力学性能和寿命不如本发明的试验效果好。

实施例3

本发明涉及一种利用三维立体纤维织物增强树脂基复合材料制备的脚部和腿部假肢，其制备方法如下。第一，三维编织复合材料脚部假肢的制备。脚部假肢构件采用纤维织物三维立体编织一体化成型技术，仿照脚部结构采用中空结构形式，利用T800碳纤维与芳纶纤维混杂作为三维织物制备的长丝纤维原料，其中碳纤维和芳纶纤维的混杂比例为1:1，采用三维四向织物结构进行脚部假肢构件的主体设计，其中在脚后跟部位采用内嵌入金属增强件的复合结构，此部位的三维织物采用三维六向结构；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，此部位的三维织物采用三维六向结构；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牢固连接，此部位的三维织物采用三维五向结构。对于脚部假肢构件三维织物预制体及内部的增强件嵌入之后在厚度方向采用特定纤维二次铺缝强化，铺缝纤维可选用T300碳纤维。二次铺缝编织强化所用的铺缝纤维比例占到脚部假肢部件三维织物预制体纤维比例的26％。

第二，三维编织复合材料腿部假肢的制备。小腿部假肢构件采用高性能纤维织物三维立体编织的椭圆形中空结构，选用M40J碳纤维与UHMWPE纤维混杂使用，混杂纤维比例为4:1，采用三维五向织物结构进行小腿部假肢构件的主体设计，其中腿部假肢构件与脚部假肢连接部位采用内嵌金属增强件强化的复合结构，该连接部位采用三维七向织物结构，三维编织复合材料腿部假肢预制体及内嵌金属增强件连接件组合编织完成后在厚度方向采用特定纤维二次铺缝强化，铺缝纤维选用T800碳纤维，二次铺缝编织强化所用的铺缝纤维比例占腿部假肢部件三维织物预制体纤维比例的30％。腿部假肢与脚部假肢的连接，采用内嵌入的金属增强件通过螺栓连接完成。所用的螺栓规格根据人体部位的大小和形状规格灵活调整。

第三，采用真空导入与快速热固化结合的复合成型工艺，针对于以上三维立体编织假肢构件的预制体，采用热固性环氧树脂胶黏剂为基体，采用VARI真空导入工艺实现树脂胶液对混杂纤维立体结构进行快速浸渍，热固化过程在大型烘箱中进行，整个固化过程保持真空体系连续工作，真空度保持在0.85MPa。浸渍树脂后的假肢部件于70℃固化2小时后成型，含胶量保持在36％。利用以上实施例加工的假肢产品，相比于对比例3的假肢产品，使用寿命提高60％以上，假肢构件在厚度方向的强度提高55％以上和刚度提高65％以上。

对比例3：与实施例3的区别是，对比例3的脚部假肢三维立体编织预制体和腿部三维立体编织预制体没有采用二次铺缝强化，其他与实施例3的相同，最终制备假肢的尺寸规格与实施例3的相同。

结论：当制备完成的三维立体编织预制体在厚度方向不采用二次铺缝强化时，制备出来的假肢产品的力学性能和寿命不如本发明的试验效果好，可见二次铺缝强化处理的重要性。

实施例4

本发明涉及一种利用三维立体纤维织物增强树脂基复合材料制备的脚部和腿部假肢，其制备方法如下。第一，三维编织复合材料脚部假肢的制备。脚部假肢构件采用纤维织物三维立体编织一体化成型技术，仿照脚部结构采用中空结构形式，利用T800碳纤维与UHMWPE纤维混杂作为三维织物制备的长丝纤维原料，其中碳纤维和芳纶纤维的混杂比例为1:1，采用三维六向织物结构进行脚部假肢构件的主体设计，其中在脚后跟部位采用内嵌入金属增强件的复合结构，此部位的三维织物采用三维七向结构；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，此部位的三维织物采用三维七向结构；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牢固连接，此部位的三维织物采用三维五向结构。对于脚部假肢构件三维织物预制体及内部的增强件嵌入之后在厚度方向采用特定纤维二次铺缝强化，缝编增强纤维可选用T800碳纤维。二次铺缝编织强化所用的铺缝纤维比例占到脚部假肢部件三维织物预制体纤维比例的29％。

第二，三维编织复合材料腿部假肢的制备。小腿部假肢构件采用高性能纤维织物三维立体编织的椭圆形中空结构，选用M40J碳纤维与芳纶纤维混杂使用，混杂纤维比例为8:1，采用三维四向织物结构进行小腿部假肢构件的主体设计，其中腿部假肢构件与脚部假肢连接部位采用内嵌金属增强件强化的复合结构，该连接部位采用三维五向织物结构，三维编织复合材料腿部假肢预制体及内嵌金属增强件连接件组合编织完成后在厚度方向采用特定纤维二次铺缝强化，缝编增强纤维选用T700碳纤维，二次铺缝编织强化所用的铺缝纤维比例占腿部假肢部件三维织物预制体纤维比例的5％。腿部假肢与脚部假肢的连接，采用内嵌入的金属增强件通过螺栓连接完成。所用的螺栓规格根据人体部位的大小和形状规格灵活调整。

第三，采用真空导入与快速热固化结合的复合成型工艺，针对于以上三维立体编织假肢构件的预制体，采用热固性酚醛树脂胶黏剂为基体，采用VARI真空导入工艺实现树脂胶液对混杂纤维立体结构进行快速浸渍，热固化过程在大型烘箱中进行，整个固化过程保持真空体系连续工作，真空度保持在0.1MPa。浸渍树脂后的假肢部件于78℃固化3小时后成型，含胶量保持在45％。利用以上实施例加工的假肢产品，相比与对比例4，其使用寿命提高70％以上，假肢构件在厚度方向的强度提高70％以上和刚度提高一倍以上。

对比例4：与实施例4的区别是，(1)脚部假肢三维立体编织预制体的纤维只选用T800碳纤维；(2)腿部假肢三维立体编织预制体的纤维只选用M40J碳纤维，其他与实施例4的相同，最终制备假肢的尺寸规格与实施例4的相同。

结论：当选用不合适的纤维制备三维立体编织脚部和腿部假肢时，制备出来的假肢产品的力学性能和寿命不如本发明的试验效果好。

Claims (10)

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：铺缝纤维选用碳纤维T300、T700或T800中的任意一种或多种混杂使用。

6.如权利要求1所述的假肢，其特征是：所述三维编织复合材料脚部假肢中，铺缝纤维占脚部假肢三维立体编织预制体纤维体积比例的5-40％。

7.如权利要求1所述的假肢，其特征是：所述三维编织复合材料腿部假肢中，铺缝纤维占腿部假肢三维立体编织预制体纤维体积比例的5-40％。

8.如权利要求1所述的假肢，其特征是：所述三维编织复合材料脚部假肢和腿部假肢所用的纤维编织形式包括三维四向、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。

9.如权利要求1所述的假肢，其特征是：所述热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂的任意一种；优选的，最终制得的三维编织复合材料假肢树脂的含量为35～50％。

10.一种三维编织复合材料假肢的制备方法，其特征是，包括：

(1)利用高强度纤维和高韧性纤维混杂纤维制成中空的脚部假肢三维立体编织预制体，在编织过程中对脚后跟和脚踝处的预制体内嵌入金属增强件、对脚底处的预制体内嵌入复合材料构件，然后采用铺缝纤维在脚部假肢三维立体编织预制体的厚度方向上进行二次铺缝强化；

(2)利用高刚度纤维和高韧性纤维混杂纤维制成中空且中空的横截面为椭圆形的腿部假肢三维立体编织预制体，在编织过程中对与所述脚踝相连接的腿部假肢处的预制体内嵌入金属增强件，然后采用铺缝纤维在腿部假肢三维立体编织预制体的厚度方向上进行二次铺缝强化；

(3)将(1)中铺缝后的脚部假肢预制体和(2)中铺缝后的腿部假肢连接，采用热固性树脂胶液为基体，对连接后的假肢预制体浸渍、复合固化成型。