CN108904878B - 一种热固性碳纤维复合材料假肢的制备及其结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种碳纤维热固性复合材料假肢部件的制备，特别涉及一种碳纤维及混杂纤维三维编织织物结构体，采用分次真空导入方式制备热固性碳纤维复合材料假肢部件的方法。本发明首先采用以碳纤维为主体纤维、配合其他高性能混杂纤维进行三维织物结构的制备，将制备好的特定形状的三维预制体织物置于封闭模具中抽真空，之后通过不同类型的热固性树脂分次真空导入的方式实现不同类型和功能特性的热固性树脂配合浸渍的工序，最终通过加压加热固化完成特定外型的复合材料假肢部件的制备。步骤简单、操作方便、实用性强。

Description

一种热固性碳纤维复合材料假肢的制备及其结构
技术领域
本发明属于复合材料假肢部件制造领域，特别涉及一种热固性碳纤维复合材料假肢的制备及其结构。
背景技术
假肢的残疾者行动的主要辅助工具，对于提高残者人的行为能力和生活质量有着至关重要的作用，同时假肢也是集中了康复医学、材料学、运动生理学等多门学科的高技术产品，在新材料飞速发展的今天，为了提高残疾人的生活质量和行动能力，对于假肢的轻便型、耐久性、整体刚性以及其他力学特性的要求非常苛刻，而传统的金属材料由于自重大、力学性能耐久度不稳定等问题，在长期使用过程中体验者有诸多不满意的地方。为了改善使用的舒适程度，提高使用过程中的灵活性和协调性，采用碳纤维为主要增强材料的高性能复合材料假肢成为目前研究的热点，而传统的碳纤维复合材料主要采用单一高性能碳纤维为增强体，结构为二维叠层结构，这种复合材料结构制备的假肢在使用过程中存在材料层间强度低带来的耐久度不稳定的问题，同时复合材料的力学整体性和刚度稳定性也有诸多需要提高的地方。
发明内容
为了克服上述不足，本发明提供一种碳纤维热固性复合材料假肢部件的制备方法，采用高强度高模量碳纤维及混杂纤维三维编织织物结构体，采用分次真空导入方式制备热固性碳纤维复合材料假肢部件的方法。本发明首先采用以碳纤维为主体纤维、配合其他高性能混杂纤维进行三维织物结构的制备，将制备好的特定形状的三维预制体织物置于封闭模具中抽真空，之后通过不同类型的热固性树脂分次真空导入的方式实现不同类型和功能特性的热固性树脂配合浸渍的工序，最终通过加压加热固化完成特定外型的复合材料假肢部件的制备。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本申请的目的之一是提供一种碳纤维热固性复合材料的制备方法，包括：
将不同类型的热固性树脂采用分次真空导入的方式对三维预制体织物进行浸渍；全部浸渍完成后，加压加热固化，即得碳纤维热固性复合材料；
其中，所述三维预制体织物以碳纤维为主体纤维、配合其他高性能混杂纤维三维编织而成。
优选的，所述碳纤维为高强度碳纤维或高模量碳纤维中的至少一种；
优选的，所述混杂纤维为芳纶纤维、UHMWPE纤维、PBO纤维、尼龙纤维中的任意一种。
更优选的，所述高强度碳纤维为T300、T700、T800、T1000中的任意一种；
更优选的，所述高模量碳纤维为M40、M40J、M55、M55J、M60、M60J中的任意一种。
优选的，碳纤维与混杂纤维的织物结构采用四步法的三维编织结构形式，为三维四向、三维五向、三维六向、三维七向编织结构中的任意一种。
优选的，热固性树脂体系为不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂中的任意一种或多种组合类型。
优选的，所述分次真空导入的具体步骤为：首先将三维织物置于封闭模具腔体中，之后抽真空，其中真空度控制在-0.05到-0.1MPa范围内，之后开启树脂导入阀，将树脂依次导入封闭模具中，最终控制树脂含量为40％-60％范围内。
优选的，所述加热加压固化的具体步骤为：将上述真空导入后的浸渍复合体系进行模压成型，模具置于压机中进行加压处理，加压压强控制在10-25MPa范围内，同时进行加热处理，加热温度控制在120-160℃范围内，最终的固化时间根据树脂基体的特性进行掌握，固化之后的复合材料假肢部件开模后进行二次加工制备最终成品。
本发明的目的之二是提供了任一上述的方法制备的碳纤维热固性复合材料。
本发明的目的之三是提供了一种假肢部件，采用上述的复合材料制备。
本发明的目的之四是提供了一种碳纤维热固性复合材料假肢部件的分次真空导入设备，包括：模具本体；所述模具本体通过管道与树脂储存器相连，所述模具本体还通过抽气管与真空泵相连。
本发明的有益效果
(1)本发明碳纤维热固性复合材料结构制备的假肢在使用过程中材料层间强度高、耐久性好，同时复合材料的力学整体性和刚度稳定性也有较大提高。
(2)本发明制备方法简单、生产效率高、实用性强，易于推广。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是一种热固性碳纤维复合材料假肢部件的制备真空导入体系结构示意图，通过封闭模具1将三维编织预制体织物2密封，之后通过连有树脂储存器3的树脂导管4将树脂导入模具1形成的密闭体系中，整个体系的真空驱动通过抽气管5连接真空泵提供。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，传统的碳纤维复合材料主要采用单一高性能碳纤维为增强体，结构为二维叠层结构，这种复合材料结构制备的假肢在使用过程中存在材料层间强度低带来的耐久度不稳定的问题，同时复合材料的力学整体性和刚度稳定性也有诸多需要提高的地方，为了解决上述问题，本发明提供一种热固性碳纤维复合材料假肢的制备及其结构。
一种碳纤维热固性复合材料假肢部件的制备方法，采用高强度高模量碳纤维及混杂纤维三维编织织物结构体，采用分次真空导入方式制备热固性碳纤维复合材料假肢部件的方法。本发明首先采用以碳纤维为主体纤维、配合其他高性能混杂纤维进行三维织物结构的制备，将制备好的特定形状的三维预制体织物置于封闭模具中抽真空，之后通过不同类型的热固性树脂分次真空导入的方式实现不同类型和功能特性的热固性树脂配合浸渍的工序，最终通过加压加热固化完成特定外型的复合材料假肢部件的制备。
其中，分次真空导入是指：在不同的进胶口设置开启顺序，按照既定的开启方案进行依次或不同次序的开启，使得树脂按照人为设计的方式导入真空体系中，例如：首先，导入A树脂，待其在模具中分布均匀后，再开始导入B树脂，待其在模具中分布均匀后，再导入C树脂，依次类推。
所述的碳纤维可选用高强度碳纤维和高模量碳纤维进行编织预制体织物的加工，其中高强度碳纤维可选用T300、T700、T800、T1000中的任意一种，高模量碳纤维可选用M40、M40J、M55、M55J、M60、M60J中的任意一种，也可将高模量或高强度碳纤维作为主体纤维，配合混杂纤维进行编织织物加工。
所述的混杂纤维可选用芳纶纤维、UHMWPE纤维、PBO纤维、尼龙纤维等其中的任意一种且不限于以上纤维，其中主体碳纤维与混杂纤维的混合比例根据使用要求灵活调整。
所述的碳纤维与混合纤维的织物结构采用四步法的三维编织结构形式，可选用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向编织结构中的任意一种。
所述的真空导入所用的树脂基体采用热固性树脂体系，可选用不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等其中的任意一种或多种组合类型。
所述的分次真空导入方式，首先将三维织物置于封闭模具腔体中，之后抽真空，其中真空度控制在-0.05到-0.1MPa范围内，之后开启树脂导入阀，将树脂依次导入封闭模具中，最终控制树脂含量为40％-60％范围内。
所述的加热加压固化，将上述真空导入后的浸渍复合体系进行模压成型，模具置于压机中进行加压处理，加压压强控制在10-25MPa范围内，同时进行加热处理，加热温度控制在120-160℃范围内，最终的固化时间根据树脂基体的特性进行掌握，固化之后的复合材料假肢部件开模后进行二次加工制备最终成品。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的说明。
实施例1
选用T300高强碳纤维与芳纶纤维按照1:1的比例进行混杂，采用三维四向编织结构进行三维织物制备，将形成的三维预制体织物置于封闭模具中进行抽真空，之后采用不饱和聚酯树脂进行分次真空导入，真空度控制在-0.05MPa，开启树脂导入阀，将不饱和聚酯树脂依次导入封闭模具中，最终控制树脂含量为40％(共分4次导入，每次待不饱和聚酯树脂完全浸没三维预制体织物后，再进行第二次导入，依次类推)。将上述浸渍复合体系置于压力机中在10MPa压强下加压，之后在120℃加热固化，固化时间为2小时，最终将固化之后的复合材料假肢部件开模后进行二次加工制备最终成品。
实施例2
选用T700高强碳纤维与PBO纤维按照3:1的比例进行混杂，采用三维五向编织结构进行三维织物制备，将特定形状的三维预制体织物置于封闭模具中进行抽真空，之后采用环氧树脂进行分次真空导入，真空度控制在-0.1MPa，开启树脂导入阀，将环氧树脂依次导入封闭模具中，最终控制树脂含量为60％。将上述浸渍复合体系置于压力机中在25MPa压强下加压，之后在120℃加热固化，固化时间为3小时，最终将固化之后的复合材料假肢部件开模后进行二次加工制备最终成品。
实施例3
选用M40高模碳纤维与尼龙纤维按照3:1的比例进行混杂，采用三维六向编织结构进行三维织物制备，将特定形状的三维预制体织物置于封闭模具中进行抽真空，之后采酚醛树脂进行分次真空导入，真空度控制在-0.1MPa，开启树脂导入阀，将酚醛树脂依次导入封闭模具中，最终控制树脂含量为40％。将上述浸渍复合体系置于压力机中在15MPa压强下加压，之后在160℃加热固化，固化时间为3小时，最终将固化之后的复合材料假肢部件开模后进行二次加工制备最终成品。
实施例4
选用M60J高模碳纤维与芳纶纤维按照5:1的比例进行混杂，采用三维七向编织结构进行三维织物制备，将特定形状的三维预制体织物置于封闭模具中进行抽真空，之后采用环氧树脂进行分次真空导入，真空度控制在-0.1MPa，开启树脂导入阀，将环氧树脂依次导入封闭模具中，最终控制树脂含量为50％。将上述浸渍复合体系置于压力机中在15MPa压强下加压，之后在130℃加热固化，固化时间为1.5小时，最终将固化之后的复合材料假肢部件开模后进行二次加工制备最终成品。
实施例5
选用T300高强碳纤维与芳纶纤维按照1:1的比例进行混杂，采用三维四向编织结构进行三维织物制备，将形成的三维预制体织物置于封闭模具中进行抽真空，之后采用不饱和聚酯树脂进行一次性真空导入，真空度控制在-0.05MPa，开启树脂导入阀，将不饱和聚酯树脂依次导入封闭模具中，最终控制树脂含量为40％。将上述浸渍复合体系置于压力机中在10MPa压强下加压，之后在120℃加热固化，固化时间为2小时，最终将固化之后的复合材料假肢部件开模后进行二次加工制备最终成品。
实施例6
选用T300高强碳纤维与芳纶纤维按照1:1的比例进行混杂，采用三维四向编织结构进行三维织物制备，将形成的三维预制体织物置于封闭模具中进行抽真空，之后采用不饱和聚酯树脂和环氧树脂进行分次真空导入。首先，真空度控制在-0.05MPa，开启树脂导入阀，将不饱和聚酯树脂导入封闭模具中，最终控制不饱和聚酯树脂含量为20％，待其在模具中分布均匀后；再开启树脂导入阀将环氧树脂导入，最终控制环氧树脂含量为20％。将上述浸渍复合体系置于压力机中在10MPa压强下加压，之后在120℃加热固化，固化时间为2小时，最终将固化之后的复合材料假肢部件开模后进行二次加工制备最终成品。
采用GB/T9341-2008对上述实施例1-6制备的假肢弯曲强度进行测试，结果表明：实施例1相较于实施例5的弯曲强度提高了12％，σfmax达884.3MPa(平均值)。实施例6相较于实施例5的弯曲强度提高了18％，σfmax达931.7MPa(平均值)。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种碳纤维热固性复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
将不同类型的热固性树脂采用分次真空导入的方式对三维预制体织物进行浸渍；全部浸渍完成后，加压加热固化，即得碳纤维热固性复合材料；
其中，所述三维预制体织物以碳纤维为主体纤维、配合其他高性能混杂纤维三维编织而成；
所述分次真空导入的具体步骤为：首先将三维织物置于封闭模具腔体中，之后抽真空，其中真空度控制在-0.05到-0.1MPa范围内，之后开启树脂导入阀，将树脂依次导入封闭模具中，最终控制树脂含量为40％-60％范围内；
所述加热加压固化的具体步骤为：将上述真空导入后的浸渍复合体系进行模压成型，模具置于压机中进行加压处理，加压压强控制在10-25MPa范围内，同时进行加热处理，加热温度控制在120-160℃范围内，最终的固化时间根据树脂基体的特性进行掌握，固化之后的复合材料假肢部件开模后进行二次加工制备最终成品。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳纤维为高强度碳纤维或高模量碳纤维中的至少一种；
或所述混杂纤维为芳纶纤维、UHMWPE纤维、PBO纤维、尼龙纤维中的任意一种。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述高强度碳纤维为T300、T700、T800、T1000中的任意一种；
或所述高模量碳纤维为M40、M40J、M55、M55J、M60、M60J中的任意一种。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，碳纤维与混杂纤维的织物结构采用四步法的三维编织结构形式，为三维四向、三维五向、三维六向、三维七向编织结构中的任意一种。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，热固性树脂体系为不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂中的任意一种或多种组合类型。
6.权利要求1-5任一项所述的方法制备的碳纤维热固性复合材料。
7.一种假肢部件，其特征在于，采用权利要求6所述的复合材料制备。
8.权利要求1所述的碳纤维热固性复合材料的制备方法中使用的碳纤维热固性复合材料假肢部件的分次真空导入设备，其特征在于，包括：模具本体；所述模具本体通过管道与树脂储存器相连，所述模具本体还通过抽气管与真空泵相连。
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