（纺织工程专业论文）三维编织复合材料接骨板的力学性能研究与设计.pdf

天津下业人学硕 i : 学位论文 摘要 abs tract i n o s t e o s y n t h e s i s m a t e r i a l s f ie l d s , i t s a n e w t r y t o u s e t h r e e d i m e n s i o n a l ( 3 - d ) b r a i d i n g c o m p o s i t e s a s i n t e r n a l f i x a t i o n b o n e p l a t e s . a s w e k n o w s t a i n l e s s s t e e l a n d t i t a n i u m a l l o y a r e s t a b l e a n d c o n v e n t i o n a l m a t e r i a l s f o r i n t e r n a l f i x a t i o n , h o w e v e r a l o t o f d i s a d v a n t a g e s o f t h o s e h a v e b e e n s h o w n i n t h e c o u r s e o f c l i n i c u s i n g . o n e o f t h e p r o b l e m s i s t h e m e c h a n i c a l p r o p e rt y m a t c h in g b e t w e e n t h e h u m a n b o d y a n d t h e i n t e r n a l f i x a t i o n i n s t r u m e n t s . o t h e r p r o b l e m s a r e a b o u t t h e b i o l o g y c o m p a r a b i l i t y . 3 - d b r a i d i n g c o m p o s i t e s b o n e p l a t e s w i l l p o s s e s s e x c e l l e n t m e c h a n i c a l p r o p e r t y d e s i g n a n d s t r u c t u r e d e s i g n . t h e m o d u l u s o f 3 - d b r a i d i n g c o m p o s i t e s b o n e p l a t e s c a n b e d e s i g n e d b y c h a n g i n g t h e p a r a m e t e r s s u c h a s b r a i d i n g a n g l e s , f i b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d f i b e r d i s t r i b u t i n g . b e t t e r d a m a g e t o l e r a n c e f o r i m p a c t l o a d i n g , b e tt e r f a t i g u e p r o p e rt ie s a n d h i g h s p e c i fi c s t r e n g t h a n d s p e c i f i c m o d u l u s a r e o t h e r a d v a n t a g e s o f 3 - d b r a i d i n g c o m p o s i t e s . u s i n g 3 - d b r a i d i n g c o m p o s i t e s a s b o n e p l a t e s c a n a v o i d t h e d i s a d v a n t a g e s o f m e t a l b o n e p l a t e s , s u c h a s t h e p h e n o m e n a d i s c u s s e d a b o v e , a n d t h e d i s a d v a n t a g e s o f d e g r a d a t i v e b o n e p l a t e s , s u c h a s a h i g h p r i c e a n d n o t f i x a t i n g t h e t h i g h b o n e . i n t h i s p a p e r t h e s t a t i c a n d d y n a m i c m e c h a n i c a l p r o p e rt i e s o f 3 - d b r a i d i n g c o m p o s i t e s w e r e d e e p l y s t u d i e d , w h i c h w o u l d p r o v i d e r e f e r e n c e s f o r t h e i r a p p l i c a t i o n s a n d d e v e l o p m e n t s i n t h e f i e l d s o f b o n e f r a c t u r e f i x a t i o n . s t a t i c m e c h a n i c a l p r o p e rt i e s w e r e s t u d i e d b y c h a n g i n g t h e b r a i d in g a n g l e s a n d b r a id i n g s t r u c t u r e s p a r a m e t e r s o f s p e c i m e n s . t h e r e s u l t s s h o w e d t h a t i n 3 - d f o u r d i r e c t i o n s b r a i d i n g s t r u c t u r e s t h e s t r e n g t h a n d m o d u l u s o f t e n s i l e , c o m p r e s s a n d b e n d i n g p r o p e rt i e s w o u l d d e c r e a s e w i t h t h e b r a i d i n g a n g l e s i n c r e a s i n g , a n d t h e v a l u e s c o u ld c h a n g e i n a l a r g e r a n g e . t h e r e s u l t s a l s o s h o w e d t h a t b r a i d i n g s t r u c t u r e s w e r e i m p o rt a n t f a c t o r s t h a t c o u ld a ff e c t t h e m e c h a n i c a l p r o p e rt i e s . t h e s t r e n g t h a n d m o d u l u s o f t e n s i l e , c o m p r e s s a n d b e n d i n g p r o p e rt i e s o f 3 - d f i v e d i r e c t i o n s s t r u c t u r e s w e r e h i g h e r t h a n t h a t o f 3 - d f o u r d i r e c t i o n s b r a i d i n g c o m p o s i t e s , b u t t h e b r i tt l e n e s s in c r e a s e d c l e a r l y . c o m p a r i n g w i th t h e l a m i n a t e d s t r u c t u r e s , w i t h t h e s a m e f i b e r v o l u m e f r a c t i o n t h e t e n s i l e a n d b e n d i n g p r o p e rt i e s o f 3 - d b r a i d i n g s t r u c t u r e w e r e b e tt e r . t h e d y n a m i c m e c h a n i c a l p r o p e rt i e s -f a t i g u e p r o p e rt i e s w e r e f i r s t s t u d i e d i n t h i s p a p e r . t e n s i le - t e n s i le f a t i g u e t e s t w e r e c a r r i e d o u t a t d i ff e r e n t m a x i m u m s t r e s s r a t i o s .a l l t e s t s w e r e r u n a t a s t r e s s r a t io r ( a,; / (y m u ) = 0 . 1 . t h e f a t i g u e f r e q u e n c y w a s 1 0 h z . t h e f a t i g u e p r o p e rt i e s w e r e s t r o n g l y d e t e r m i n e d b y t h e b r a i d i n g a n g l e s . t h e c o u r s e o f f a t i g u e t e s t c o u l d p r e s e n t d i ff e r e n t d a m n i f i c a t i o n a n d t h e h y s t e r e s i s h e a t w o u l d o c c u r m o r e s e v e r e l y w i t h t h e b r a i d i n g a n g l e s i n c r e a s i n g . t h e s t r a i n - s t re s s c u r v e o f t h e s p e c i m e n s w i t h l a r g e b r a i d in g a n g l e s w o u l d o c c u r n o n - l i n e r . a n d t h e l a t e r m o d u l u s i s b i g g e r t h a n t h e i n i t i a l m o d u l u s . t h i s v a r i a t i o n a l r u l e c o n t r a s t e d w it h t h e m e t a l s r u l e s . a f t e r o n e m il l i o n t i m e s f a t i g u e t e s t s , t h e r e s i d u a l s t r e n g t h o f t h e s p e c i m e n s a r e h i g h e r t h a n t h e u l t i m a t e s t r e n g t h . t h i s i s d u e t o f i b e r b u n d l e s b e i n g r e o r i e n t e d t o a l o w e r a n g l e t o w a r d t h e t e n s i le l o a d i n g d i r e c t i o n a n d t h e p l a s t i c i t y d i s t o rt i o n . c o m p a r i n g w i t h l a m i n a t e d s t r u c t u r e s m a t e r i a l s a n d m e t a l m a t e r i a l s , 3 - d b r a i d i n g c o m p o s i t e s p o s s e s s s t r o n g s u p e r i o r it y i n m e c h a n ic a l p r o p e rt i e s d e s i g n , a n d o t h e r a s c e n d a n t m e c h a n i c a l p r o p e r t ie s , a l l o f t h e s e p r o v i d e p o s s i b i l i t y f o r 3 - d b r a i d i n g c o m p o s i t e s u s e d a s b i o m e d i c a l m a t e r i a l s w h i c h a r e m o r e s u i t a b l e f o r b o n e p l a t e s . 天津 ! 业火 学倾 学位论文摘要 key w ords :bo n e p l a t e s e r t i e s t h r e e d i m e n s i o n a l b r a i d i n g c o m p o s i t e s me c h a n i c a l p r o p e r t i e sf a t i g u e p r o p 天 津业人学硕 ! : 学粉论义 第一章 综述 第一章 综 述 第一节 引 言 三维编织物及三维编织复合材料应用于生物医学领域是一个较新的研究课题。 随 着这项研究课题的提出， 它吸引了众多材料界和医学界研究人员的关注， 成为目前对 生物医用材料研究和开发的又一热点。人们越来越意识到学科间交叉发展的重要性。 在过去的二十多年里， 应用在生物医学领域的纺织材料主要局限在二维结构上， 但几 乎人体所有的组织器官都是各向异构的， 它们的物理强度和性能在各个方向上有所不 同， 所以二维织物及由它们增强的复合材料作为生物材料有它不可避免的缺点。 随着 三 维纺织技术的出 现，生物材料的发展又出现了 新的契机。 人造骨、人工关节、各种 骨修复材料以及应用在组织工程上的生物支架材料都得到了空前的发展。 三维结构的 纺织材料提高了 结构和各方向力学性能的可设计性， 使仿生设计和材料与人体组织的 相容性得到了进一步改善，是未来研究和应用的一个主要趋势。 在骨修复材料领域，三维编织复合材料作为一种骨折内固定材料是一个新的尝 试。 众所周知， 长期以来国内 外一直是采用不锈钢和钦合金等金属材料作为骨折内固 定材料，临床应用表明它具有许多明显的不足。所以， 人们开始寻求一种新型的骨折 内固定材料，使它满足高强度、适当模量的整体要求 ( 既能达到骨折端的可靠固定， 又不至于发生应力替代作用) ，且具有良 好的生物稳定性，这将会解决临床上的许多 实际问题。 三维编织复合材料作为骨折内固定材料就此应运而生。 本课题就是将三维 编织复合材料作为一种新的生物医学材料， 研制新型临床骨折内固定接骨板， 同时对 它的力学性能进行研究和设计。这项研究对生物医学材料的发展将会起到重大的作 用，同时也将拓宽三维编织复合材料的应用领域。 第二节 骨折内固定接骨板 一、骨折及骨折内固定 骨折是指由外伤和骨组织损伤所引起的骨骼折断、 错位或碎裂，为临床上最常见 病例之一。 骨折根据发生的部位不同分为骨干骨骨折、关节内骨折、关节面骨折及骨 髓损伤等。 骨折除使病人忍受疼痛之外还给病人带来长时间的生活不便。临床表明骨 天津 业人学硕 卜 学位论文 第一章 综述 折复位是骨折愈合的先决条 件， 骨折固定是骨折愈合的保证。 因此骨折固定方法的 优 劣将与病人利益息息相关。目前广泛使用的骨折固定方法有外固定、内固定两种。外 固定法即传统的以石膏、夹板对骨折部位进行局部外固定以保持稳定的方法，外固定 器以固定支架上的钢钉打入骨中来达到稳定的目的; 内固定则通过手术在直视下对骨 折处用钢板、 螺丝钉等进行复位和固定。 可以 预测，由于内固定给患者生活带来的不 便更小，它的研究和应用前景将更为广阔。 c u tr ig h t fi l认 为 ，良 好 的 骨 折内 固 定 材 料 应 具 备以 下 四 个条 件: 1 ) 在 力 学 性能 方 面要有足够的强度及稳定的固定，即较高的抗拉强度、 抗压强度、剪切强度、较好的 抗疲劳性能:此外还应当具有与骨相近的弹性模量;2 )良 好的组织相容性及血液相 容性; 3 )具有良 好的生物稳定性，能促进骨折愈合;4 )溶出物及可渗出物少，尽量 减少并发症的发生。 二、内固定接骨板的发展 1接骨板的种类 1 . 1金属接骨板 1 . 1 . 1 金属接骨板的发展 金属材料用于骨修复己 有数百年的历史， 特别是用于硬组织系统。 早在1 5 6 5 年， 人们就应用金属板修复头盖骨破裂。1 7 世纪中叶开始用金、 银、 铜丝缝合裂伤，其后 又用铁丝作为骨折内固定材料。1 9 0 0 年以来又试用铅、铜、镁等作骨折内固定材料， 但均因强度不够或性能不适应不能取得良 好效果。2 0 世纪 3 0 年代不锈钢和钻铬合金 的问世，以及 6 0年代钦和钦合金的问世，开创了骨科应用金属植入材料的新纪元， 促进了内固定技术和人工关节置换术的发展。 金属内固定装置的发展经历了极其漫长的过程: h a n s m a n n ( 1 8 8 6 ) 最早 使用接骨板和螺钉作骨折内固定。此接骨板的一端和螺 钉后端突出 皮肤外面， 至骨折愈合后取出【 图1 - 1 - ( i ) o l a m b o t t e 接骨板 ( 1 9 0 9 )的强 度较大 图1 - 1 一 ( 2 ) . l a n e 接骨板能弯曲，以 适 应骨形态作内 固定【 图1 - 1 - ( 3 ) e s h e r m a n 接 骨 板 ( 1 9 1 2 ) 图1 - 1 - ( 4 ) 比l a n e 接 骨 板强 度 好 t o w n s e n d 和g i l f i l l a n 接骨板 ( 1 9 4 3 ) 较薄，易弯曲， 具有狭长的螺孔，旋紧 螺钉前，可用手法凑合骨折片。需增加内固定强度时，可用此接骨板两块或 更多块堆叠一起作内 固定 图1 - 1 - ( 5 ) 0 e g g e r s 接骨板 ( 1 9 4 8 )含长形槽孔两条， 用螺钉4 支固定，但不旋紧螺钉。 天津丁业人学倾 卜 学位论文 第一章 综述 第三节 三维编织复合材料 一、三维编织复合材料的发展 三维编织技术是二十世纪八十年代为适应航空航天部门对结构和多功能复合材 料的 需 要而发 展起来的 一 种高 新纺织技 术15 1 。 三 维编织复合 材料是三维 编织技 术和 现 代复合材料技术相结合的产物， 它与传统复合材料具有较大的区别。 传统复合材料基 本是通过把纤维束按一定的角度和一定的顺序进行铺层或缠绕以及由二维织物铺层 而制成的，由于形成层状结构， 所以也称层合 ( 压)复合材料。层合复合材料因存在 “ 层”而带来力学性能的弱点 如易分层、开裂敏感和损伤扩展快、沿厚度方向的刚 度和强度低、冲击韧性和损伤容限水平较低、 抗面内 剪切强度低等16 - 1 1 1 。为了 消除复 合材料的“ 层” ， 三维立体织物增强体系随之出现，纤维束或纱线贯穿材料的长、宽、 高 三个方向形成一个不分层的三维整体网状结构， 这样从根本上解决了 传统复合材料 的 缺陷，为复合材料应用于结构件提供了 广阔的前景x 1 2 - 1 5 1 三维编织复合材料作为一种典型的结构和功能完美结合的先进纺织复合材料， 具 有许多突出的优点: 高比强度、 高比刚度、 低比重、 整体性好、 异型件一次编织成型、 结构设计灵活、综合力学性能优异、抗分层和抗冲击性能良 好等，因此越来越受到人 们的重 视， 为 航天、 航空、 交 通、 建 筑等 领域广 泛采用p 6 -2 1 二、三维编织复合材料的制作工艺 1三维编织工艺 三维编织工艺方法主要有两种:四步法，二步法。 1 . 1四步法三维编织工艺 饭 侧件 x- 丫辛面 携 妙 器 机 吕底盘 图1 - 2立式四步法三维编织机示意图 天津 1 一 业大学硕 学位论文 第一章 综述 第四节 课题研究的意义 一、课题的提出 随着生活 质量的 提高，人们越来越重视健康程度。 近些年来交通的发展和各种社会 活动的日 益频繁， 交通事故在逐年增多， 骨折发病率也呈上升趋势。 在使用传统内固 定材料治疗骨折的过程中人们发现越来越多的弊端暴露出来，主要体现在两个方面: 1 ) 在与人体组织的力学相容性方面，金属接骨板刚度过大，长时间使用，会出现应 力替代或应力集中现象， 在固定物取出后也容易发生再骨折。 金属接骨板的使用不仅 造成骨质疏松或接骨板的断裂， 影响到早期骨折愈合， 更为重要的是影响后期骨改建， 可 产生固定骨段的骨缺损和结构紊乱， 给病人健康的恢复带来许多痛苦12 7 -3 1 1 0 2 ) 在 生物相容性方面， 金属接骨板长时间使用在人体内 会出现金属腐蚀， 即金属离子的释 放， 有些金属离子可引发过敏反应、 局部炎症甚至会产生一些致癌物质， 影响到骨折 的正常恢复13 2 .3 3 1 。由于三维编织复合材料在结构和力学性能方面具有很好的可设计 性， 应用三维编织复合材料制作骨折内固定接骨板将可以解决临床上应用的金属接骨 板的许多不足之处 ( 见第一节、第二节的讨论) ，同时也可避免最近研究的可降解材 料制作接骨板难以固定负重骨和价格昂贵等现象。 但目 前研究三维编织复合材料接骨 板工作的还很少， 为了实现三维编织复合材料在骨修复领域中的应用，必须对三维编 织复合材料的基本力学性能和可设计性进行研究，得出设计不同类型接骨板的思路。 为此选择对该课题进行研究，这是一项必要而有意义的工作。 二、课题研究的内容 本课题研究的主要内容如下: ( 1 ) 对四步法1 x 1 三维编织复合材料及1 x 1 平纹布铺层结构复合材料的基本力学 性能进行研究， 包括静态力学性能拉伸、 压缩、 弯曲和动态力学性能疲劳等进行研究。 ( 2 ) 研究编织角和试件结构对三维编织复合材料的力学性能影响。 ( 3 ) 对三维编织复合材料和铺层复合材料的力学性能 进行对比性研究，揭示它们 之间的性能差异。 ( 4 ) 研究三维编织复合材料的力学性能可设计性， 得出用三维编织复合材料制作 骨折内固定接骨板在力学性能方面的可行性和优越性， 从而实现该材料接骨板的力学 仿生设计。 天津t 业大学 j 1 学位论义第一章 综述 三、课题研究的目的和意义 ( i ) 研究三维编织复合材料接骨板的力学性能的 特点和可设计性，为三维编织复 合材料在骨修复领域的实际应用奠定基础。 (2 ) 用三维编织复合材料制作骨折内固定接骨板可解决金属内固定接骨板在临床 应用中遇到的一些实际问题，如刚度大、易断裂、易产生应力遮挡等现象。对于提高 人 类生命质量将产生巨大的社会效益。 j 三 维编织复合材料作为生 物医用材料的 研究才 一 是刚刚开始起步， 但却有很好 的发展前景。这项研究对拓宽三维编织复合材料的应用领域将起到重要的作用。 天i p 下业大学倾 了 学位论文第_章 三维编织复合 材料接骨板力学性能研究 第二章三维编织复合材料接骨板力学性能研究 第一节试验的准备 一、力学性能测试的目的和方案 1力学性能测试的目的 ( 1 ) 对四步法 1 x 1 三维编织结构复合材料接骨板、层合复合材料接骨板及金属 材料接骨板之间的力学性能进行对比， 得出 三维编织复合材料在制作骨折内固定接骨 板时在力学性能方面的特点，同时为骨折内固定接骨板的优化设计打下基础。 ( 2 )通过对三维编织复合材料和层合复合材料的力学性能进行测试和分析，揭 示两种结构复合材料力学性能的规律，丰富力学性能数据库，以便今后在生产加工过 程中更有效地对其力学性能进行控制。 2力学性能测试方案 2 . 1 试件种类 试件共分三类， 四步法 i x l 三维四向结构、 三维五向结构和二维机织物铺层结构。 它们均由同一种纤维 1 2 k t 3 0 0碳纤维制成，具有相同的外型尺寸和相近的纤维体积 含量。 2 . 2 方案设计 考虑到编织复合材料中编织角对复合材料的力学性能的影响最为敏感， 因此在设 计试验方案时将三维四向结构试件又分为三组 ( 见表2 - 1 ) ， 使三组试件的编织角度依 次增大， 重点考虑编织角对力学性能的影响，并体现三维编织复合材料力学性能的可 设计性。 2 . 3测试内容 本试验进行拉伸、压缩、弯曲 和疲劳四种力学性能测试。四种测试试件编号如表 2 - 1 il i 示。 天津 业大学4 k - i 学位论文第二章 三维编织复合 利料接骨板力学性能 研究 表2 - 1试片种类编号 ( 拉伸试验)( 压缩试验)( 弯曲试验)( 疲劳试验) 队fa队 a 三维四向 l a1 l a2 l a3 y ai y a2 ya3 wal w八2 w a3 wbwc bc yy lblc b 三维五向 c铺层结构 二、力学性能测试的标准和设备 1力学性能测试的标准 目 前， 关于三维编织复合材料的力学性能测试还没有一个公开的标准。 美国材料 试验协会( a s t m ) 制定了 一些纤维增强复合材料的力学性能测试标准，如: a s t m d 3 0 3 9 为定向 纤维复合材料拉伸性能测试标准; a s t m d 3 4 1 0 为单向或正交纤维增强 复合材料压缩性能标准试验方 法等。 此外德国 标准化协会( d i n ) 、 英国 标准学会 ( b s i ) 、 日 本规格协会( j i s ) 等也制定了 一些纤维增强复合材料力学性能的测试标准， 但 均局限 于 连续纤维 或短 纤维 增强的 层合 板复 合材料 13 4 1 。 同 样， 我国国 家 标准也 仅局 限于纤维增强塑料的测试标准。 这些标准不完全适用于三维编织复合材料力学性能的 测试。 本课题的 试验测试方法主要参考我国国家标准g b 1 4 4 7 - 8 3 玻璃纤维增强塑料 拉伸试验方法 ， g b 1 4 4 8 - 8 3 玻璃纤维增强塑料压缩试验方法 和g b 1 4 4 9 - 8 3 玻璃 纤维增强塑料弯曲试验方法 。 2力学性能测试的设备 测试设备为日本岛津 ( s h i m a d z u )公司的a g -2 5 0 k n e型万能材料试验机、 m t s 8 8 0 - 5 0 0 k n疲劳试验机和m t s 8 8 0 - 5 0 k n疲劳试验机( 如图2 - 1 , 2 - 2 , 2 - 3 所示) 。 其中a g - 2 5 0 k n e型万能材料试验机可以测试各种材料的拉伸、压缩和弯曲 性能。 y 试验机由计算机控制，数据自 动采集处理， 测试精度高。 可应用于各种材料的性能 测试，如金属、橡胶、塑料、陶瓷、电子、交通、食品等。 人津 卜 业大学硕 卜 学位论文第二章二 维编织复合材料接骨板力学性能o f 究 三、试件的制备 1三维编织复合材料预制件的制备 本试验所用三维编织复合材料试件的编织方法为四步法1 x 1 编织方法， 编织结构 为三维四向结构和三维五向结构。 所用的编织纱、 轴纱的种类均为 1 2 k t 3 0 0 碳纤维。 在给定结构参数 ( 编织角、纤维体积含量)的基础上编织工艺参数的计算参考相应的 工 艺 计 算 方 法 13 4 1 在三 维编织结构中， 编织角 包括表面 编织角 a 和内 部编织角) ， 如图2 - 4 ( a ) , ( b ) 所 示 。 表 面 编 织 角 与 内 部 编 织 角 满 足 关 系 式 tan a = 李 tan y 。 在 本 文 中 除 试 件 参 数 表 a 所指的编织角为 表面编织角外， 其余均指内 部编织角。 在2 - 4 ( a ) 中h 为试件的 花节长 度。 ( a ) 图2 - 4复合材料编织角形态示意图 ( a )表面编织角( b )内部编织角 2 机织物铺层复合材料预制件的制备 机 织 物为 平纹 织 物， 经 纬 纱 线 均 为1 k t 3 0 0 碳 纤 维。 机 织 物的 面密 度为1 5 0 g / m m z , 经密为1 1 根/ c m，纬密为 1 1 根/ c m,厚度为0 . 1 8 m m。每一层织物按相同的方向叠加 铺放。 3 复合固化工艺 本课题预制件的复合固 化采用r t m ( r e s i n t r a n s f e r m o l d i n g ) 工艺，即 树脂传递模 塑法。 天7 t丁业大学硕 学位论文第二章 三维编织复合材料接骨板力学性能研究 3 . 1 基体材料 基体材料 一采用t d e - 8 5 环氧树脂( e p o x y r e s i n ) ， 学名为4 ,5 - 环氧环已 烷一1 , 2 二甲 酸二缩水甘油酷，它的环氧度为0 . 8 4 - 0 .8 7 ，分子式为: i i 0 / c -0 一c h 2 一c h -c h 2 c -0 -c h 2 一c h 一c h , / 0 0 环氧树脂是一种热固性树脂， 只有环氧树脂分子中的活性基团在固化剂以及适当 温度条件下发生开环反应而固化之后， 才能形成既不溶也不熔的体型网状高分子化合 物。 环氧树脂的固化有反应型固化和催化型固化两种机理。 实验中采用的固化剂为7 0 #酸1f，它由四种同分异构体混合组成，学名为四氢邻苯二甲酸配 ( 队 ) ，其分子量 。气 / cllo 。气丫。 。协丛 为1 4 6 ,固化温度约1 5 0 - 1 8 0 0c， 7 0 # 酸醉的分子式为: 0 /|飞 、/ 日ecllo 实验中采用的催化剂为苯胺。 3 . 2 固化制度 1 )量的配比 树脂:固化剂:催化剂=1 0 0 : 1 0 0 : 1 单位:克( s ) 2 )反应时间 1 3 0 c ( 恒温) / 2 小时 1 5 0 0c ( 恒温) / 1 小时 1 6 0 c( 恒温) / 7 小时 1 8 0 , c ( 恒温)/ 3 小时 天津丁业大学硕 学位论文第 _ _ 章二维编织复合利料接骨板力学性能研究 第三节 三维编织复合材料动态力学性能一疲劳性能的测试与分析 一、复合材料的疲劳性能 1疲劳的定义 疲劳 ( f a t i g u e ) 这个词 起源与拉丁文的“ f a t i g u e ” 一词， 意思是疲倦。虽然通常 它指人们的身心疲劳， 但也已成为工程词汇中被广泛接受的术语， 用以表达材料在循 环载荷作用下的损伤和破坏。日内瓦的国际标准化组织 ( i s o ) 在1 9 6 4 年发表的报告 “ 金属的疲劳试验一般原理”中给疲劳下了一个描述性的定义。 这份报告把疲劳定义 成一个专门术语: “ 金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲 劳，虽然在一般情况下， 这个术语特指那些导致开裂或破坏的性能变化” 。这一描述 也普遍适用于非金属材料和复合材料14 0 1 2疲劳的种类 疲劳破坏以许多不同的形式出现， 它包括仅有外加应力或应变波动造成的机械疲 劳， 循环载荷同高温联合作用引起的蠕变疲劳， 循环受载部件的温度也变动时引入的 热机械疲劳， 在存在侵蚀性化学介质或致脆介质的环境中施加反复载荷时产生的腐蚀 疲劳， 载荷的反复作用与材料之间的滚动接触相结合产生的滚动接触疲劳， 脉动应力 与表面间的来回相对运动和摩擦滑动共同作用产生的 微观疲劳等等。 此外，根据破坏时的循环数的高低，疲劳可分为高周疲劳 ( 或称高循环疲劳)和 低周疲劳 ( 或称低循环疲劳) 。高周疲劳受应力幅控制，故又称应力疲劳， 低周疲劳 受 应变 幅控制， 故 又 称应变 疲劳， 一 般以1 0 ， 次 做为高 周 疲劳 与 低周疲劳的 分界点 14 1 1 3纤维增强复合材料的疲劳性能 复合材料的疲劳机理具有与传统材料不同的特点。其一是它的损伤破坏形式复 杂，不像金属疲劳当主裂纹出现扩展到临界值时，突然失稳破坏，复合材料疲劳损伤 多 种形式， 初始损坏不影响疲劳寿命， 损伤累积过程长， 没有金属材料的疲劳门 槛值。 其 一 是 疲劳裂纹一般呈非共线扩展，裂纹沿纤维界面方向 扩展，而且是复合型扩展。 其三是复合材料的疲劳性能及破坏，与材料组分体系、界面粘结、纤维排列方向、铺 层顺序、 应力状态及环境条件等因素有关。 碳纤维增强的复合材料具有比金属良好的 比疲劳强度14 2 1 天津一 1 业人学硕 l 学位论文第三章力学性能对比及设计 第三章 力学性能对比及设计 第一节 三种接骨板及人骨的力学性能对比 一、人骨的力学性能 骨是脊椎动物身体的重要组成部分。 它的功能是支持、 运动和保护。 人体共有2 0 6 块骨。按部位可分为颅骨、躯干骨和四肢骨。按形状可分为长骨、短骨、扁骨、不规 则骨和含气骨。不论是从形态学的观点还是从力学性能的观点来看，骨都是非常复杂 的。 但是这种复杂性是由其功能适应性所决定的。 所谓骨的功能适应性是指骨对所担 负的工作的适应能力。决定骨功能适应性的因素有:轴线形状、截面形状、材料沿各 方向的分布规律和内部构造情况等。 为了 进行接骨板的受力分析和仿生设计首先要了 解骨的基本力学性能。 骨的基木力学性能是在拉伸、压缩、弯曲及剪切状态下极限强度、极限应变及本 构关系。就人体而言这些数据随年龄、性别、职业，生活经历和生活方式，遗传情况 和营养状况等因素不同而有所不同。 如青年人的骨强度比老年人高百分之十以上，男 性比女性约高百分之五。 运动员与体力劳动者经常用到的那一部分骨的力学性能显著 超出了其他人。即使是同一个人，其不同部位的骨因功能不同，力学性能也不一样。 例如小腿部位的胫骨和挠骨在人体是强度最高的骨骼，而一般人右腿又高于左腿。顶 骨的抗拉强度远低于抗压强度， 这是因为它通常以受压的形式保护脑部。 人体湿的密 质骨 ( 股骨)的力学性能如表3 - 1 所示: 表3 - 1 人体 ( 2 0 - 3 ， 岁) 湿的 密质骨 ( 股骨)的力学性能 拉伸强 度 mp a 拉伸模 最 g p a 拉伸最 火应变 压缩强 度 mp a 压缩模 量 g p a 压缩最 大应变 弯曲强 度 mp a 弯曲模 量g p a 八了游扼 力性 股 骨1 2 4 1 7 .6 1 . 4 1 1 7 0 4 . 8 8 5 8 0 - 1 2 01 0 - 3 0 二、常用金属接骨板的力学性能 常用金属材料接骨板主要有不锈钢和钦合金材料制作的接骨板。不锈钢的主要性 能如1万 : 天津 j _ 业人学倾 _ 学位论文第三章力学性能对比 及设计 表3 - 2 常用金属接骨板的力学性能 力学性能 拉伸强度拉伸模量弯曲 强度弯曲 模量 不锈钢 三、铺层结构接骨板的力学性能 表3 一 3 铺层结构接骨板的力学性能 拉 伸 强 度 mp a 拉 伸 模 晕 g p a 拉伸 最 人应变 压 缩 强 度 mp a 压 缩模 量 g p a 压 缩 最 大应变 弯 曲强 度 mp a 弯 曲模 量 g p a 5 2 6 5 7 . 1 0 . 9 2 3 9 4 . 3 61 5 . 8 02 . 7 76 3 6 . 2 74 8 . 8 5 学能-层构 力性-铺结 说明 四、 :铺层结构的具体参数见表2 - 3 : 2 - 7 : 2 - 1 1 . 三维编织复合材料接骨板的力学性能 表3 - 4三维编织复合材料接骨板的力学性能 力学性能 编织种类 三维四向 编织角1 3 度 三维四向 编织角3 0 度 三维五向 编织角2 0 度 拉伸强 度 mp a 拉伸模 嫩 gp a 拉伸最 人应变 压缩强 度 mp a 压缩模 量 g p a 压缩最 大应变 弯 曲模 量 gp a 8 2 刀 3 4 . 8 0 . 8 4 3 8 6 . 3 921 . 5 35 3 8 2 9 . 0 3 6 7 . 5 0 . 8 81 1 4 . 7 84 . 4 9 42 . 6 2 3 1 3 . 1 13 9 . 5 3 内jcu q曰0 u气 81 09 5 . 6 0 . 8 53 4 9 .2 81 9 . 3 4 2 . 5 27 6 5 . 5 6 6 7 说明:编织结构的具体参数见表2 - 3 : 2 - 7 : 2 - 1 1 . 2 0 0 l a 1 一 二维四向编织角1 3 度 im一 二维四向编织角3 0 度 l b 一 二维i i. aw r 1 1 3 2 0 度 505 川d。喇娜划慧季粼 l b 不锈 钢 股骨l a 3 铺 层l a 1 图3 - 1不同类型接骨板模量对比图 天津 业人学硕 学位论文 第三章力学性能对比及设计 由图3 - 1 不难看出 在三种类型接骨板中， 三维编织复合材料制作接骨板的模量与 股骨实际模量最接近， 而且可以 通过近一步的改变编织角和体积含量等参数来使三维 编织复合材料制作的接骨板的模量与骨更接近。 不锈钢的 模量要比 股骨模量高出近1 0 f n +铺层材料居中。 表3 - 5常用金属及纤维增强复合材料的比强度、比模量 名称 密度 x l 0 3 k g / m 比强度 x 1 0 ; m 不锈钢 f ! lai l a3 铺层 7 . 8 1 1 . 1 5 1 . 5 5 1 . 5 5 1 . 5 9 7 . 4 2 1 0 . 4 7 2 . 2 2 0 . 2 4 0 . 0 比模量 x l o b m 1 . 9 2 2 . 61 4 . 3 5 2 . 5 8 3 . 1 5 1 0 0 8 0l a l 二维四向编织角1 3 度 l a 3二维编织编织角3 0 度 e匕一x n一n 42 侧惠五 0 l d 橇 澡 尚骨l a 3铺 层l a 1 图3 - 2不同类型接骨板比强度对比图 图3 - 2 , 3 - 3 为不同类型接骨板比强度、比 模量对比图。 可见， 编织结构中， 编织 角小的l a1 组试件的比强度和比模量均高于其它材料的相应值， 而编织角最大的l a 3 组试件的比强度和比模量与人骨的数值相接近。因此， 利用三维编织复合材料制作接 骨板可以 适当 调节其比 强度和比 模量， 提高 骨的愈合质量。 由图 可看出 编织结构接骨 板的比强度、比 模量均高于不锈钢和人骨， 在与人骨比 模量相近的情况下， 编织结构 的比强度要明显高于人骨，这对内固定接骨板来说是十分有益的。 天津下业大学硕 t : 学位论文第三章力学性能对比及设计 l a 1l a 3 二维四向 编织角1 3 度 二维编织编织角3 0 度 4 卢。一x ， 侧烦五 0 ，月 全 胜 斧 毯 小 m骨l a 3铺 层l a 1 图3 - 3不同类型接骨板比模量对比图 五、三维编织复合材料制作接骨板力学性能的优越性 由第二章力学性能试验结果和本节的对比结果可知三维编织复合材料接骨板在 力学性能方面要明显优于金属材料接骨板。具体体现在以下几个方面: 1 力学性能的可设计性要好于金属接骨板。由三维编织复合材料的结构特点和力 学性能特点可知利用三维编织复合材料制作接骨板它的强度和刚度指标均可调， 可满 足不同类型患者的不同部位骨折内固定的需求，这是金属材料难以达到的。 2三维编织复合材料接骨板的强度足够高， 模量与骨更接近，金属材料的模量值 不可调且明显高于人骨的模量值，由这一点带来的一些弊端是材料本身难以克服的。 3从比强度和比模量的角度考虑，三维编织复合材料接骨板的性能也要优于金属 材料接骨板。比强度、比 模量的提高将可以 直接减小接骨板的体积， 减小由于手术所 造成的 皮肤损伤面积， 而且植入人 体后， 由于 体积的 减小可以 减少溶出 物及可渗出 物 数量， 减少并发症发生的可能性。同时植入物重量的减轻也会减少病人恢复过程中的 不便和痛苦。 4 三维编织复合材料的疲劳性能明显优于金属。碳纤维复合材料的疲劳强度为抗 拉强度的6 0 - 9 0 %，而余属的疲劳强度只为3 0 - 5 0 %e金属材料疲劳裂纹出现后，很快 引起灾难性的 破坏， 而没有明 显的 预兆。 三维编织复合材料在疲劳过程中， 裂纹在纤 维或基体的薄弱处出现， 扩展到结合面， 损伤逐渐累积。 这表明这种材料具有较好的 损伤容限和疲劳寿命。 5二维编织复合材料对开孔不敏感，这一性能对制作接骨板来说是很有益处的。 人 门 业人学0 ! 学位论文第二章力学性能对比 及设计 多 数内固定接骨板在固定的过程中都需要用螺钉把持， 在接骨板上需要有预留 孔。 临 床应用表明金属材料接骨板断裂多与开孔有关， 而且内固定作用失效很多情况下是由 螺妊松引 起的14 3 1因此采用三维编织复合材料制作接骨板将能有效的 避免该现象的发 尘 第二节 三维编织复合材料接骨板的设计思路