CN108904879B - 一种热固性耐劈裂碳纤维复合材料假肢的制备及其结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种耐劈裂碳纤维热固性复合材料假肢部件的制备，特别涉及一种多层组合结构的假肢织物结构体，该结构由外到内依次包括：耐劈裂层、中间刚性层、内部韧性层、耐劈裂层四部分，其中耐劈裂层采用高强度碳纤维二维螺旋缠绕制备；中间刚性层采用高模量碳纤维三维编织结构织物制备；内部韧性层采用碳纤维混合高韧性纤维混杂三维编织制备；将中间刚性层与内部韧性层叠合之后，采用真空导入方式浸渍热固性树脂，之后在外表面缠绕耐劈裂层通过一次热固化形成整体复合材料假肢部件。步骤简单、操作方便、实用性强。

Description

一种热固性耐劈裂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备领域，特别涉及一种耐劈裂碳纤维热固性复合材料假肢部件的制备。
背景技术
假肢是残疾人行动的主要辅助工具，对于提高残疾人行动能力、提高生活舒适性有着重要作用，假肢产品无论从外形设计还是材质选用，对于保证其长时间稳定可靠的佩戴和应用都具有重要作用。传统的塑形高分子材料假肢的自重较大，对于提高行动灵活性带来了较大不便，为了改善该缺点，各种新型复合材料材质的假肢部件开始为研究者所注意，其中碳纤维二维叠层复合材料结构成为新型材质假肢产品的设计和性能发挥的关键因素，而这种二维叠层结构的层间仅仅通过树脂粘接完成，在假肢产品的弯曲受力过程中容易出现分层甚至纤维层劈裂，不仅影响行动过程而且还会对肢体造成一定的伤害。为了解决这一问题，各种组合复合材料结构的假肢产品开始不断被设计，其中利用三维编织与二维缠绕结构的组合式碳纤维复合材料材质的假肢产品成为研究的重点。
发明内容
为了克服上述不足，本发明提供一种热固性碳纤维假肢部件的制备方法，该假肢部件为了避免复合材料结构的弯曲劈裂问题，采用了由外到内依次的耐劈裂层、中间刚性层、内部韧性层、耐劈裂层四部分结构组合形式，其中耐劈裂层采用高强度碳纤维二维螺旋缠绕制备；中间刚性层采用高模量碳纤维三维编织结构织物制备；内部韧性层采用碳纤维混合高韧性纤维混杂三维编织制备；将中间刚性层与内部韧性层叠合之后，采用真空导入方式浸渍热固性树脂，之后在外表面缠绕耐劈裂层通过一次加热加压固化形成整体复合材料假肢部件。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的目的之一是提供了一种热固性碳纤维假肢部件，包括：耐劈裂层Ⅰ、中间刚性层、内部韧性层、耐劈裂层Ⅱ；所述耐劈裂层Ⅰ、中间刚性层、内部韧性层、耐劈裂层Ⅱ由外到内依次设置，所述耐劈裂层Ⅰ、Ⅱ采用高强度碳纤维二维螺旋缠绕制备；所述中间刚性层采用高模量碳纤维三维编织结构织物制备；所述内部韧性层采用碳纤维混合高韧性纤维混杂三维编织制备。
优选的，所述中间刚性层的高模量碳纤维为M40、M40J、M55、M55J、M60、M60J中的任意一种，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，所述内部韧性层以高强度或者高模量碳纤维为主体纤维，其中，高强度碳纤维为T300、T700、T800、T1000中的任意一种，高模量碳纤维为M40、M40J、M55、M55J、M60、M60J中的任意一种。
优选的，所述内部韧性层的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。
优选的，所述内部韧性层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，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。
本发明的目的二是提供了一种热固性碳纤维假肢部件的制备方法，其特征在于，包括：
采用了由外到内依次的耐劈裂层Ⅰ、中间刚性层、内部韧性层、耐劈裂层Ⅱ四部分结构组合形式；耐劈裂层Ⅰ、Ⅱ采用高强度碳纤维二维螺旋缠绕制备；中间刚性层采用高模量碳纤维三维编织结构织物制备；内部韧性层采用碳纤维混合高韧性纤维混杂三维编织制备；将中间刚性层与内部韧性层叠合之后，采用真空导入方式浸渍热固性树脂，之后在外表面缠绕耐劈裂层Ⅱ通过一次加热加压固化形成整体复合材料假肢部件。
优选的，真空导入方式浸渍所用的树脂基体采用热固性树脂体系，为不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等其中的任意一种或多种组合类型。
优选的，真空导入方式的具体步骤为：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-0.06MPa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，在外表面缠绕耐劈裂层Ⅱ的具体步骤为：采用的纤维可选用高强度碳纤维为T300、T700、T800、T1000中的任意一种，缠绕角度可采用30°至60°之间根据缠绕工艺灵活调整。
优选的，加热加压固化的具体步骤为：将上述组合结构在模具中进行模压成型，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，同时进行加热固化处理，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。
本发明的目的三是提供了任一项所述的方法制备的假肢部件。
本发明的有益效果
(1)本发明的假肢产品在弯曲受力过程中不容易出现分层甚至纤维层劈裂，有效保证了使用者行动方便、舒适。
(3)本发明制备方法简单、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是一种抗劈裂特性的碳纤维热固性复合材料假肢部件结构的示意图，其中由表面耐劈裂层1、中间刚性层2和内部韧性层3组成。
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，现有技术中，在假肢产品的弯曲受力过程中容易出现分层甚至纤维层劈裂，不仅影响行动过程而且还会对肢体造成一定的伤害，为了解决上述问题，本发明提供一种热固性耐劈裂碳纤维复合材料假肢的制备及其结构，
一种热固性碳纤维假肢部件的制备方法，该假肢部件为了避免复合材料结构的弯曲劈裂问题，采用了由外到内依次的耐劈裂层、中间刚性层、内部韧性层、耐劈裂层四部分结构组合形式，其中耐劈裂层采用高强度碳纤维二维螺旋缠绕制备；中间刚性层采用高模量碳纤维三维编织结构织物制备；内部韧性层采用碳纤维混合高韧性纤维混杂三维编织制备；将中间刚性层与内部韧性层叠合之后，采用真空导入方式浸渍热固性树脂，之后在外表面缠绕耐劈裂层通过一次加热加压固化形成整体复合材料假肢部件。
所述的中间刚性层的高模量碳纤维可选用M40、M40J、M55、M55J、M60、M60J中的任意一种，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。最终制备的刚性层的外型尺寸和厚度根据产品的具体要求灵活确定。
所述的内部韧性层以高强度或者高模量碳纤维为主体纤维，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。
所述的内部韧性层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。
所述的内部韧性层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。最终制备内部韧性层的外型尺寸和厚度根据产品的具体要求灵活确定。
所述的中间刚性层与内部韧性层叠合之后，采用真空导入方式浸渍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-0.06MPa到-0.1MPa范围内，之后开启树脂导入阀，将树脂导入封闭模具中，最终控制树脂含量为40％-60％范围内。
所述的真空导入浸渍热固性树脂之后在外表面缠绕耐劈裂层，采用的纤维可选用高强度碳纤维可选用T300、T700、T800、T1000中的任意一种，纤维缠绕前浸渍不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等其中的任意一种，缠绕角度可采用30°至60°之间根据缠绕工艺灵活调整。缠绕层厚度根据产品要求灵活调整。
所述的加热加压固化，将上述组合结构在模具中进行模压成型，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，同时进行加热固化处理，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M40高模量碳纤维制备厚度为3mm的三维四向编织织物作为中间刚性层结构；选用T300碳纤维为主体纤维，选用芳纶纤维为混杂纤维，其中主体纤维与混杂纤维的比例为1:1，制备厚度为4mm的三维四向编织织物作为内部韧性层结构；中间刚性层与内部韧性层叠合之后置于封闭模具腔体中，将真空度控制在-0.06MPa进行抽真空，真空度稳定后导入不饱和聚酯树脂，最终控制树脂含量为40％。在中间刚性层和内部韧性层同步浸渍热固性树脂之后选用浸渍不饱和聚酯树脂的T300碳纤维以30°的缠绕角进行二维缠绕制备厚度为4mm的表面耐劈裂层；将上述浸渍组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M55高模量碳纤维制备厚度为7mm的三维五向编织织物作为中间刚性层结构；选用T700碳纤维为主体纤维，选用UHMWPE纤维为混杂纤维，其中主体纤维与混杂纤维的比例为4:1，制备厚度为5mm的三维六向编织织物作为内部韧性层结构；中间刚性层与内部韧性层叠合之后置于封闭模具腔体中，将真空度控制在-0.1MPa进行抽真空，真空度稳定后导入环氧树脂，最终控制树脂含量为60％。在中间刚性层和内部韧性层同步浸渍热固性树脂之后选用浸渍酚醛树脂的T700碳纤维以50°的缠绕角进行二维缠绕制备厚度为4mm的表面耐劈裂层；将上述浸渍组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3
选用M60J高模量碳纤维制备厚度为6mm的三维七向编织织物作为中间刚性层结构；选用M40碳纤维为主体纤维，选用PBO纤维为混杂纤维，其中主体纤维与混杂纤维的比例为2:1，制备厚度为4mm的三维七向编织织物作为内部韧性层结构；中间刚性层与内部韧性层叠合之后置于封闭模具腔体中，将真空度控制在-0.06MPa进行抽真空，真空度稳定后导入不饱和聚酯树脂，最终控制树脂含量为40％。在中间刚性层和内部韧性层同步浸渍热固性树脂之后选用浸渍环氧树脂的T1000碳纤维以30°的缠绕角进行二维缠绕制备厚度为5mm的表面耐劈裂层；将上述浸渍组合体系置于压力机中在16MPa压强下加压，之后在130℃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M55J高模量碳纤维制备厚度为5mm的三维六向编织织物作为中间刚性层结构；选用T1000碳纤维为主体纤维，选用尼龙纤维为混杂纤维，其中主体纤维与混杂纤维的比例为2:1，制备厚度为4mm的三维五向编织织物作为内部韧性层结构；中间刚性层与内部韧性层叠合之后置于封闭模具腔体中，将真空度控制在-0.07MPa进行抽真空，真空度稳定后导入环氧树脂，最终控制树脂含量为50％。在中间刚性层和内部韧性层同步浸渍热固性树脂之后选用浸渍环氧树脂的T800碳纤维以60°的缠绕角进行二维缠绕制备厚度为6mm的表面耐劈裂层；将上述浸渍组合体系置于压力机中在20MPa压强下加压，之后在130℃加热固化，固化时间为2.5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M40高模量碳纤维制备厚度为3mm的三维四向编织织物作为中间刚性层结构；选用T300碳纤维为主体纤维，选用芳纶纤维为混杂纤维，其中主体纤维与混杂纤维的比例为1:1，制备厚度为4mm的三维四向编织织物作为内部韧性层结构；中间刚性层与内部韧性层叠合之后置于封闭模具腔体中，将真空度控制在-0.06MPa进行抽真空，真空度稳定后导入不饱和聚酯树脂，最终控制树脂含量为40％。在中间刚性层和内部韧性层同步浸渍热固性树脂之后；将上述浸渍组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1-5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72％，σfmax达2530.8MPa(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。上述虽然结合附图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 (9)

1.一种热固性碳纤维假肢部件的制备方法，其特征在于，包括：
采用了由外到内依次的耐劈裂层Ⅰ、中间刚性层、内部韧性层、耐劈裂层Ⅱ四部分结构组合形式；耐劈裂层Ⅰ、Ⅱ采用高强度碳纤维二维螺旋缠绕制备；中间刚性层采用高模量碳纤维三维编织结构织物制备；内部韧性层采用碳纤维混合高韧性纤维混杂三维编织制备；将中间刚性层与内部韧性层叠合之后，采用真空导入方式浸渍热固性树脂，之后在外表面缠绕耐劈裂层Ⅱ形成浸渍组合体系，通过一次加热加压固化形成整体复合材料假肢部件。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述中间刚性层的高模量碳纤维为M40、M40J、M55、M55J、M60、M60J中的任意一种，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。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述内部韧性层以高强度或者高模量碳纤维为主体纤维，其中，高强度碳纤维为T300、T700、T800、T1000中的任意一种，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所述的制备方法，其特征在于，所述内部韧性层的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。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述内部韧性层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，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。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，真空导入方式浸渍所用的树脂基体采用热固性树脂体系，为不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂其中的任意一种或多种组合类型。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，真空导入方式的具体步骤为：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-0.06MPa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；在外表面缠绕耐劈裂层Ⅱ的具体步骤为：采用的纤维选用高强度碳纤维为T300、T700、T800、T1000中的任意一种，缠绕角度采用30°至60°之间根据缠绕工艺灵活调整。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，加热加压固化的具体步骤为：将所述浸渍组合体系在模具中进行模压成型，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，同时进行加热固化处理，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。
9.权利要求1-8任一项所述的方法制备的假肢部件。
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