梅爾維爾優(yōu)美地描述了船長亞哈在追逐大白鯨的甲板上追逐時(shí)，木腿發(fā)出的Ah，Ah，ck的聲音！但是，自亞哈船長以來，人造腿或現(xiàn)今稱為假肢的假肢已經(jīng)發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變。

在曩昔的5至10年中，在假體生產(chǎn)中使用碳纖維復(fù)合材料和輕金屬合金是技術(shù)上的最大飛躍。當(dāng)代假肢設(shè)備可幫助成千上萬的人至少部分補(bǔ)償其缺失的肢體并過上高質(zhì)量的生活。一些用戶從事體育運(yùn)動(dòng)，甚至打破記錄。

為什么英特力碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料在假肢生產(chǎn)中如此成功？什么是決定性因素：材料科學(xué)的吸引力，表面，價(jià)格，簡單的制造工藝或它們的技術(shù)上風(fēng)？為了回答這個(gè)題目，我們必須專注于所需的假體規(guī)格以及碳纖維復(fù)合材料的性能。

1. 當(dāng)代成型技術(shù)：

   當(dāng)代義肢的關(guān)鍵特性是可以根據(jù)小我身高，體重和肌肉結(jié)構(gòu)進(jìn)行定制。使用涉及機(jī)加工的制造過程不可能為假體提供所需的外形。因此，所使用的材料必須適合于模制制造技術(shù)。英特力碳纖維復(fù)合材料的最大上風(fēng)在于，它們可以生產(chǎn)具有薄壁和復(fù)合曲線的深層部件。通過使用對開模與樹脂傳遞模塑法和預(yù)浸料法相結(jié)合，可以生產(chǎn)任何種類的復(fù)雜結(jié)構(gòu)

2. 沿零部件轉(zhuǎn)變的機(jī)械性能：

   假體有望完全復(fù)制其替換的天然器官的功能。數(shù)千年來的發(fā)展已將人類的肌肉和骨骼變化為具有高阻力/重量比且在不同區(qū)域具有不同特征的完善結(jié)構(gòu)。大天然是統(tǒng)統(tǒng)，但慷慨：它不許可我們體內(nèi)的任何部分變得比必需的更結(jié)實(shí)和更重。當(dāng)我們檢查骨骼時(shí)，我們看到不同的區(qū)域并不雷同，但具有不同的膠原蛋白，羥磷灰石和孔隙率。這種征象在醫(yī)學(xué)上被稱為沃爾夫定律，規(guī)定骨骼在高應(yīng)力區(qū)域（例如尖端）的密度和強(qiáng)度較高，而低應(yīng)力區(qū)域的密度和強(qiáng)度較低。脛骨尖端的密度和抗壓強(qiáng)度進(jìn)步了50％。因?yàn)榛ㄔ诹阒亓ι系臅r(shí)間很長，宇航員的骨骼變得衰弱。隨著英特力碳纖維的模制方法的最新發(fā)展，有可能在部件的不同區(qū)域獲得不同水平的強(qiáng)度和模量。分外是使用樹脂傳遞模塑法和當(dāng)代纖維鋪網(wǎng)（絲束放置）方法，可以高精度地獲得不同部分的壁厚轉(zhuǎn)變。因此，可以根據(jù)沃爾夫定律在模仿天然的不同區(qū)域生產(chǎn)具有不同強(qiáng)度的組件 可以高精度獲得不同部分的不同壁厚。因此，有可能在沃爾夫定律所規(guī)定的模擬天然的不同區(qū)域生產(chǎn)具有不同強(qiáng)度的組件 可以高精度獲得不同部分的不同壁厚。因此，有可能在沃爾夫定律所規(guī)定的模擬天然的不同區(qū)域生產(chǎn)具有不同強(qiáng)度的組件

3. 高比強(qiáng)度：

   在溫血?jiǎng)游镏?，肌肉和腱有助于身體活動(dòng)，而骨骼和關(guān)節(jié)則是負(fù)重。目前，由醫(yī)療機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)并在實(shí)踐中常規(guī)使用的假肢可接管骨骼的功能。具有內(nèi)部電源的自動(dòng)修復(fù)術(shù)仍處于開發(fā)階段。替換骨骼的假體必須具有與自然骨骼相似的機(jī)械強(qiáng)度。當(dāng)前可用的碳/環(huán)氧復(fù)合材料容易產(chǎn)生700 MPa的拉伸強(qiáng)度和70 GPa的彈性模量。連同其1.6 g / mL的密度一路考慮，該材料的特別很是高的比強(qiáng)度變得更加顯明。除了其抗張強(qiáng)度外，高抗壓強(qiáng)度和斷裂韌性還有助于進(jìn)步這種材料的品質(zhì)。假肢的生產(chǎn)還有其他候選人。常規(guī)的木材，玻璃纖維/聚酯復(fù)合材料，玻璃和碳纖維/熱塑性復(fù)合材料，金屬及其合金或陶瓷也可用于假肢。就各種候選材料和自然骨骼之間的比較而言。從絕對強(qiáng)度，模量和斷裂韌性來比較，碳纖維復(fù)合材料最類似于自然骨。

4. 理想的重量分布：

   上述碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度是如此之高，以至于可以制造出具有與天然腿雷同強(qiáng)度但同時(shí)又輕60％的假體。最初生產(chǎn)的碳纖維假體確實(shí)特別很是輕。因?yàn)椴捎昧诉@種新材料，整個(gè)腿部假肢的重量只有2至3公斤。但是，一小我的腿重80公斤，重約13到14公斤。70年代的實(shí)驗(yàn)注解，這些超輕假體根本不實(shí)用。干擾人體的最佳體重分布會(huì)產(chǎn)生不良效果。改變?nèi)梭w的重量分布會(huì)使坐下，彎曲或舉起等運(yùn)動(dòng)變得更加困難。這注解，假肢的總重量而不是假肢的總重量 緊張的是重量分布和產(chǎn)生的角動(dòng)量。分外是對于下肢假肢，在膝蓋區(qū)域附近的輕型部件上增長鉛塊重量有助于關(guān)節(jié)的活動(dòng)。還發(fā)現(xiàn)手臂假肢的重量必須與肌肉在其整個(gè)生命周期中風(fēng)俗移動(dòng)的重量大致雷同。通過將重物附著在假體中最合適的位置，在一個(gè)點(diǎn)上散布或集中該重物的微調(diào)對于碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料而言特別很是簡單，這使得這種材料在假體系體例造中特別很是成功。還發(fā)現(xiàn)手臂假肢的重量必須與肌肉在其整個(gè)生命周期中風(fēng)俗移動(dòng)的重量大致雷同。通過將重物附著在假體中最合適的位置，在一個(gè)點(diǎn)上散布或集中該重物的微調(diào)對于碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料而言特別很是簡單，這使得這種材料在假體系體例造中特別很是成功。還發(fā)現(xiàn)手臂假體的重量必須與肌肉在其整個(gè)生命周期中風(fēng)俗移動(dòng)的重量大致雷同。在碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料中，通過將一個(gè)重物附著在假體中最合適的位置，在一個(gè)點(diǎn)上分散或集中該重物來進(jìn)行微調(diào)特別很是簡單，這使得這種材料在假體系體例造中特別很是成功。

5.衛(wèi)生：

假體中使用的任何材料，除了要具有高強(qiáng)度外，還必須易于清潔，不吸濕，耐腐蝕，耐細(xì)菌和真菌感染，耐紫外線，對汗液和鹽分不敏感，和化妝品上可接受的 經(jīng)過固化和洗滌后，環(huán)氧樹脂不會(huì)刺激人體皮膚，并且不會(huì)引起過敏。皮膚不測接觸假體不會(huì)造成任何危險(xiǎn)。碳復(fù)合材料具有所有所需的性能。

6.彈性：

在肌肉和肌腱中發(fā)現(xiàn)的稱為髓磷脂和彈性蛋白的蛋白質(zhì)的一個(gè)緊張?zhí)匦允?，它們在穩(wěn)固狀況下就像彈簧一樣起作用。幾千年來，彈性蛋白是肌腱的重要組成部分，已演變?yōu)橥晟频?ldquo;胡克式固體”。在施加的應(yīng)力和所產(chǎn)生的應(yīng)變之間呈現(xiàn)線性關(guān)系的材料稱為“霍克固體”。這種材料的例子包括鋼彈簧或橡皮筋。袋鼠跟腱中的彈性蛋白就像一個(gè)完善的彈簧，使動(dòng)物能夠以相對較少的能量長距離奔跑。每次袋鼠撞到地面時(shí)，都會(huì)發(fā)生彈性碰撞，幾乎所有動(dòng)能都被轉(zhuǎn)化

轉(zhuǎn)化為勢能，因此，下一跳躍僅必要少量的附加能量。步行或跑步時(shí)，人類行使雷同的動(dòng)能/勢能轉(zhuǎn)換。在玻璃，芳族聚酰胺和碳纖維復(fù)合材料的三點(diǎn)彎曲測試開始時(shí)觀察到的線性區(qū)域（胡克固體的特性）在碳/環(huán)氧復(fù)合材料中最為顯明。在這三種不同的復(fù)合材料中，碳纖維復(fù)合材料在變形較小的情況下最吻合胡克定律。我認(rèn)為，這是碳纖維復(fù)合材料成為假肢選擇材料的重要緣故原由。

7.委靡強(qiáng)度：

假體材料的另一個(gè)要求是委靡強(qiáng)度。顯然，假體所承受的負(fù)載并不保持恒定，而是隨著每個(gè)步驟而轉(zhuǎn)變，隨著設(shè)備賡續(xù)彎曲并返回其原始外形。每種已知材料在重復(fù)彎曲肯定次數(shù)的循環(huán)后都會(huì)失去部分強(qiáng)度，最終導(dǎo)致組件損壞。天然，對于假體裝配來說，漸漸降低強(qiáng)度和縮短使用壽命是不可接受的。從60年代開始，鋁假肢的使用壽命僅為1年。聚合物基體的開裂，纖維斷裂，層的分層以及基體/纖維界面處的星散是復(fù)合材料在反復(fù)彎曲時(shí)觀察到的四種不同的破壞模式。纖維/基質(zhì)界面處的星散對組件的壽命影響最大。下圖的曲線表現(xiàn)了不同材料委靡導(dǎo)致的強(qiáng)度損失程度。在此圖表中可以看到，碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在經(jīng)歷了極高的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后仍具有很高的殘余強(qiáng)度。在機(jī)翼，風(fēng)力渦輪機(jī)葉片和一級(jí)方程式賽車中使用碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料可證實(shí)這種材料具有極高的委靡強(qiáng)度。

8.結(jié)論：

在選擇用于制造義肢的材料時(shí)，碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料因其浩繁因素而脫穎而出，包括抗張強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，模量，抗沖擊性，耐委靡性，比重，易于制造等，衛(wèi)生和美學(xué)因素。得益于碳復(fù)合材料假肢，全世界成千上萬的人生活得更好，更充實(shí)。