三維編織芳綸纖維增強樹脂基復合材料的性能研究與設計_圖文

1、天津大學博士學位論文三維編織芳綸纖維增強樹脂基復合材料的性能研究與設計姓名：王迎娜申請學位級別：博士專業(yè)：材料學指導教師：王玉林20031201中文摘要中文摘要本文采用浸漬工藝和工藝，研制了和復合材料。對纖維處理工藝、材料制備工藝、復合材料的力學性能、吸濕性能及摩擦磨損性能進行了研究；采用交叉模型和有限元模型對三維編織復合材料進行模擬；應用對人工靛關節(jié)進行了應力分析。纖維體積分數(shù)（功和編織角（口）對力學性能的影響規(guī)律為：詐和口都是影響編織復合材料力學性能的顯著因素。在一定范圍內(nèi)，隨著巧的增加，復會材料的彎曲性能、剪切性能和沖擊性能都為上升趨勢；隨著口的降低，復合材料的彎曲性能、橫向剪切性能和沖

2、擊性能是上升的，面縱向剪切強度是下降的。纖維截面的應力分析表明，它可用來分析和目對三維編織復合材料力學性能的影響規(guī)律與機理，在某種形式的載荷下，復合材料的巧和口應在一定范圍內(nèi)變化。吸濕溫度、吸濕介質對吸濕性能的影響規(guī)律為：隨著乃的增加，復合材料的吸濕率是下降的：隨著溫度的升高，復合材料的吸濕率顯著增加；在中的吸濕率比在蒸餾水中的高；吸濕使復合材料的彎曲性能、剪切性能降低，而使沖擊性能提高。職纖維取向、纖維表面處理以及載荷和速度對復合材料的摩擦磨損性能有很大影響。隨著的增加或載荷的增加，復合材料的摩擦系數(shù)和比磨損率都是下降的趨勢；摩擦表面與纖維編織軸向平行時的摩擦系數(shù)比垂直時的摩擦系數(shù)小，但磨損

3、率稍高。干摩擦條件下，復合材料在低速低載下的磨損為磨粒磨損和輕微的粘著磨損，在高速高載下的磨損為粘著磨損和磨粒磨損；在潤滑條件下。復合材料的磨損為磨粒磨損。三維編織復合材料的模擬結果為：對交叉模型的二次修正可更好的對三維編織復合材料進行模擬。結果表明：隨著的增加，復合材料的縱向、橫向和剪切模量上升。隨著目的降低，縱向彈性模量升高，而橫向彈性模量和剪切模量下降。應用模擬得到了三維編織復合材料在承受拉伸載荷時的位移場和應力場，驗證了編織復合材料的增強機理；在三維編織復合材料內(nèi)的纖維束與基體的界面處存在一定的應力結合區(qū)域，且在纖維一側吸附較多應力。人工髖關節(jié)的應力分析結果為：綜合最大位移為×

4、;。由于，所以三維編織復合材料能夠滿足人工關節(jié)的使用要求。關鍵詞：骨固定材料，三維編織復合材料，力學性能，吸濕性能，摩擦磨損性能，模擬，應力分析，），；，（功（口）巧吩口，吩口，一，玩吩；，；，吩，；，詐，；：×。，：，獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得墨鲞基莖或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學位論文作者簽名簽字日期：夕加壚年月廣目學位論文版權使用授權書

5、本學位論文作者完全了解鑫注盤堂有關保留、使用學位論文的規(guī)定。特授權墨鲞盤堂可咀將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤。（保密的學位論文在解密后適用本授權說明）學位論文作者簽名：乏哆簽字日期：研彤悔，月日導師簽名彳仁簽字日期：舛年月一第章緒論第一章緒論骨折及骨固定材料簡介骨折在創(chuàng)傷中占有很大比例，與骨折治療相關的問題一直是研究的熱點。骨折的治療分為復位使骨折斷部的緊密接觸、正確可靠的固定、康復訓練（目的是正常的血液供應和良好的應力刺激）三部分，其中骨折固定是骨折愈合的保證。而骨

6、固定材料是骨折治療的基礎。由于骨是最理想的等強度優(yōu)化結構，但骨的內(nèi)部材料分布很不均勻，在骨和關節(jié)系統(tǒng)復雜的應力條件下，不僅要求骨固定材料無毒副作用、有生物安全性，而且必須有足夠的力學強度。骨折固定方法可分為外固定和內(nèi)固定兩種。外固定法是指不切開復位以保護骨處血腫和骨外膜，不破壞其血液循環(huán)的一種骨折固定方法。但外固定后骨折愈合仍受影響，不能如期愈合，同時出現(xiàn)關節(jié)僵硬、肌肉萎縮、骨質疏松等癥狀。骨折內(nèi)固定是利用鋼板、螺絲釘、髓內(nèi)針等骨固定物直接對骨折斷端進行手術固定的方法。采用內(nèi)固定后，一般不必再旅行外固定，這使忠處在不負重的情況下的功能鍛煉成為現(xiàn)實【。對骨折固定材料的要求是具有良好的力學性能和生

7、物相容性。迄今為止，用于硬組織修復與替換的材料仍然首推金屬與合金，其次是生物陶瓷、高分子聚合物、可降解材料及纖維復合材料等【。為避免以上骨固定材料存在的缺點與不足，人們開始尋求一種新型骨固定材料。三維編織復合材料具有多向纖維構成的空間精細網(wǎng)狀結構，編織體一次成型，結構不分層，整體性好且連續(xù)，提高了格厚度方向的力學性能，其抗沖擊性和抗斷裂韌性好，有較好的能量吸收和抗疲勞性能，且能與，技術相結合直接成型形狀復雜的結構，降低了成本。尤其是其彈性模量與骨相當不存在應力遮擋作用。這些特點使三維編織復合材料極適于作為骨固定裝置，可以開發(fā)出諸如接骨板、固定釘、髓內(nèi)針、脊柱前后固定系統(tǒng)等骨固定器械。骨固定材料

8、的發(fā)展狀況由于骨再建需要有適當?shù)膽Υ碳?，應力對骨的改變、生長和吸收起著調(diào)節(jié)作用，每一個骨都有個最適宜的應力范圍。應力過低或應力過高都會使骨逐漸萎縮。金屬材料具有優(yōu)良的生物相容性及力學性能，但通常認為金屬的高剛度第一蘋緒論和高彈性模量會導致植入體與骨之間的力學失配，從而使骨發(fā)育不良。從材料角度看，骨是一種膠原纖維被羥基磷灰石礦化的復合材料。為此，可以用聚合物復合材料技術來改進骨植入材料的彈性模量，形成良好的力學匹配以獲得較為理想的骨的再建，但一般的聚合物及其復合材料的力學性能還不能滿足某些承重骨的要求。生物陶瓷主要是通過聚合物一生物活性陶瓷復合模擬自然骨的結構和性能，解決骨替換材料長期存在的力

9、學相容性問題，但陶瓷材料脆性大。三維編織復合材料作為部件和結構時，可承受多向載荷應力和熱應力，是一種多向性增強復合材料，具有優(yōu)異的力學性能和可設計性。傳統(tǒng)骨固定材料醫(yī)用金屬骨固定物金屬材料一直是應用最廣泛的內(nèi)固定材料，其中以不銹鋼、鈷合金、鈦合金最為常用。金屬骨固定材料具有良好的生物相容性和力學性能，它的最大優(yōu)點是對骨折提供早期、堅硬而穩(wěn)定的固定，從而使關節(jié)和肌肉早期活動。金屬材料主要用于整形外科，如采用不銹鋼系制作的骨板和鍍鎳螺釘用于骨折內(nèi)固定，用鈷系合金制造的金屬內(nèi)插器、內(nèi)固定用具作為嵌入材料廣泛用于整形外科領域，金屬骨一金屬臼型的人工關節(jié)的耐磨性和耐蝕性較差。由于鈦金屬優(yōu)良的耐腐蝕性和生

10、物組織反應性低，應用較多。但金屬材料腐蝕后有重金屬離子的溶出，并且對生物組織存在力學損傷【】。由于骨再建需要有適當?shù)膽Υ碳?，通常認為金屬的高剛度和高彈性模量會導致植入體與骨之間的力學失配，從而使骨發(fā)育不良。盡管金屬骨折固定材料應用廣泛，但它存在以下缺點：金屬材料的剛度（也）遠大于皮質骨的剛度（），金屬骨固定物存在應力遮擋作用。而且金屬材料用于骨折內(nèi)固定物時，腐蝕后有金屬離子的溶出，會引起局部的炎癥反應和組織壞死，并且對生物組織存在力學損傷。金屬、已在動物實驗中證明是致癌物，并已有不銹鋼內(nèi)固定物引發(fā)惡性腫瘤的報道。金、銀、鉭、不銹鋼、鈦合金用于顱骨修補手術時，由于這些金屬材料的導熱系數(shù)高，成型

11、加工困難，尤其是使得病人頭部對外界溫差的反應很敏感，使病人有不適之感【。醫(yī)用高分子聚合物有機高分子材料具有一定的強度，比重輕，有良好的耐蝕性，在醫(yī)療上應用很早。高分子材料在醫(yī)學領域中的應用首推人工骨，年，德國采用聚甲基丙烯酸甲酯（）制成人工頭蓋骨，它對人體組織的刺激性小、密度輕、機械第一章緒論性能好，并具有良好的可加工性。隨后有人使用聚氯乙烯、聚四氟乙烯等表面發(fā)泡材料制成人工骨。高的相對分子質量高密度聚乙烯（磨損較大）、聚甲醛、多孔聚四氟乙烯、可作為人工關節(jié)。作為骨釘、骨板、髓內(nèi)釘、哈林頓氏桿、永久性植入的有聚砜碳纖維復合材料、聚乳酸和聚乙烯醇復合材料。此外，以尼龍或聚酯纖維增強的硅橡膠復合材

12、料也可作為永久性植入的人工假肢。但高分子聚合物作為人工骨時，其彈性模量過小，剛性小而易變形，使組織界面處發(fā)生局部萎縮，不利于骨折愈合。如采用粉狀生物陶瓷或生物玻璃填充改性聚甲基丙烯酸甲酯，以其制成的假牙具有較好的機械強度和耐磨性。而且以其制成的牙根在拔去齒根的孔內(nèi)種植，為發(fā)現(xiàn)牙組織的過敏、紅腫和不適反應。但單純的聚甲基丙烯酸甲酯一般不能作為顱骨修補材料，因為其強度低，脆性大，如果在加工時產(chǎn)生的微裂紋引起應力集中，使得這種材料的強度降低，可通過增加厚度和材料改性的方法得到改善，但其耐沖擊性能不理想，且手術部位有異物感?？捎糜诠枪潭ㄎ锏南冗M材料的研究進展由于傳統(tǒng)骨固定材料的缺點與不足，人們一直在探

13、索將更多的先進材料用于骨固定材料。其中包括可降解材料、陶瓷材料和纖維復合材料?？山到飧叻肿硬牧辖陙恚山到獠牧系玫窖杆侔l(fā)展，其應用范圍涉及到幾乎所有非永久性的植入裝置，包括藥物控釋載體、手術縫線、骨折固定裝置、器官修復材料、人工皮膚、手術防粘連膜及組織和細胞工程等。可吸收骨折內(nèi)固定材料可歸納為以下幾種：聚乳酸（）及其復合材料、聚乙醇酸（）及其復合材料、聚二惡酮（）和甲殼素等。這些可吸收降解聚合物的降解產(chǎn)物一般是二氧化碳和水，可隨尿液及呼吸等排除體外，不必二次手術取出。但可吸收聚合物降解后的強度和模量等力學性能下降很多，其降解速率難以控制。【等研究了非增強的材料，周后其彎曲強度下降，周后下降

14、。而用纖維增強的表現(xiàn)出良好的韌性斷裂行為和機械強度。盡管可吸收降解的聚合物存在的不足，但其具有的良好的生物相容性及組織可吸收性將是一種很有前途的骨折內(nèi)固定材料。生物陶瓷材料生物活性陶瓷是指能與活體組織、活體軟組織形成化學鍵合的陶瓷材料。對于硬組織替換材料，這種鍵合主要是由羥基磷灰石在界面處的沉積而實現(xiàn)的。界第一草緒論面結合強度隨時間增長而增強，與骨折愈合的情形相似。陶瓷與金屬與其它材料相比，在生物體內(nèi)幾乎沒有腐蝕性和抗拒反應，在生物體內(nèi)極為穩(wěn)定，與生物組織之間有良好的親合性。用于生物體的陶瓷材料有、鋁酸鈣、生物玻璃、碳等，尤其是的化學性質穩(wěn)定，機械強度及硬度較高，具有良好的親水性。典型的生物活

15、性陶瓷主要包括兩類：一類是生物活性玻璃和玻璃陶瓷，另一類是磷酸鈣基生物陶瓷。因為骨的組員主要是有機的膠原和無機的羥基磷灰石?？赏ㄟ^聚合物一生物活性陶瓷復合模擬自然骨的結構和性能，將復合材料的彈性模量調(diào)整到自然骨的水平，解決骨替換材料長期存在的力學相容性問題。但達到臨床應用水平的很少，是正在發(fā)展的領域。醫(yī)用纖維復臺材料由于金屬骨固定物及高分子聚合物的不足，人們利用纖維增強聚合物復合材料來實現(xiàn)高強、適模的骨固定裝置。由于骨本身就是膠原纖維被羥基磷灰石礦化的復合材料，而纖維增強復合材料可以通過設計達到與骨相匹配的模量和高強度，因此是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ墓枪潭ú牧?。王玉果對骨固定用三維編織碳纖維增強環(huán)氧

16、復合材料（）的力學性能進行了研究。結果表明（）復合材料的彎曲模量與骨相當，復合材料的吸濕性能好于純的環(huán)氧樹脂，生物相容性實驗中基本沒有細胞毒性，植入活體后局部組織生物學反應良好，是用于骨折內(nèi)固定的理想材料。陳貴才【”深入研究了）復合材料的吸濕性能及吸濕后復合材料力學性能的變化。研究表明，復合材料的吸濕量符合定律，而且溫度、介質、試樣尺寸和不同的應力環(huán)境對，復合材料的吸濕性有一定的影響規(guī)律，而且認為甩復合材料吸濕后的力學性能仍能滿足骨折固定的要求。但環(huán)氧樹脂的生物相容性和耐用性具有多變性，需小心選擇環(huán)氧樹脂基體和合適的加工工藝。而且碳纖維是一種無機纖維，在磨損時由于纖維的脆斷，產(chǎn)生的碎屑對人體產(chǎn)

17、生不良的影響。冼杏娟等認為先進復合材料在纖維方向的拉伸疲勞性能比金屬好。碳纖維復合材料的疲勞強度為抗拉強度的，而金屬的疲勞強度只為抗拉強度的。而且金屬材料疲勞裂紋出現(xiàn)后，很快就會破壞，而沒有明顯的征兆。纖維復合材料在疲勞過程中，裂紋先在纖維或基體薄弱處出現(xiàn)，使得應力重新分布，然后通過基體傳給未破斷纖維，因此不影響整個結構繼續(xù)承載。當裂紋擴展到結合面，損傷逐漸積累，直至嚴重分層導致破壞。熱塑性樹脂如聚甲基丙烯酸甲脂（）、都具有良好的生物相容性及耐用性，用纖維增強熱塑性樹脂復合材料可以克服熱塑性樹脂強度低、第一章緒論模量小等缺點。采用纖維增強聚合物復合材料帶造人工骨最有代表性的應用實例有混雜增強復

18、合材料制造的人工顱骨，用于因意外受傷或手術造成的顱骨損傷的修補。經(jīng)材料、動物、生理實驗和臨床試驗表明，這種人工顱骨修補材料與所用的金屬和高分子材料相比，具有優(yōu)良的生物相容性、安全性，在試驗研究中朱出現(xiàn)異?，F(xiàn)象和不良反應，是一種理想的體內(nèi)埋檀材料！。徐衛(wèi)兵等人研制了一種用于顱骨修補的長碳纖維復合材料。該材料經(jīng)動物實驗表明，基本無組織排斥反應，生物相容性優(yōu)良，透射線性能好。狳大元¨】等人用短碳纖維增強做顱內(nèi)板材，其結果表明材料的抗拉彈性模量和抗沖擊強度與有機玻璃相比提贏兩倍，硬度高于顱骨硬度，線膨脹系數(shù)常溫與有機玻璃在。時數(shù)值相當，耐介質試驗在常溫下小時，幾乎無明顯增重、增容，板材模壓復

19、合材料隨機走向的纖維，可阻止裂紋的擴展，具有止裂機理，經(jīng)過動物實驗，已應用于臨床，獲得了較滿意的效果。纖維增強聚合物（）復合材料可作為金屬材料的替代物應用于骨科臨床。復合材料具有與金屬材料不同的抗壓、抗折和抗扭轉特性。一般認為，由于水和離子滲入試樣內(nèi)對界面起作用，纖維和基體界面結合強度會發(fā)生改變。因而，在水浴環(huán)境下的生物力學試驗對評價復合材料體內(nèi)植入的穩(wěn)定性具有重要意義。常用的用于模擬生理環(huán)境的研究方法包括單絲拉出試驗和整體浸泡試驗【。在水浴環(huán)境中，纖維與基體的界面粘著力將發(fā)生很大變化。等通過單絲拉出試驗對碳纖維和芳綸纖維（）增強的和進行生物力學試驗，結果表明，種復合材料的最大結合強度（）均有

20、明顯降低。疲勞強度研究表明，在干性和水浴環(huán)境中，碳纖維和芳綸纖維增強復合材料其均隨時間的延長而減小，力學強度的減小值與疲勞周期的對數(shù)呈正比。等用同樣方法對照研究了和在濕熱環(huán)境下與碳纖維的界面結合強度。發(fā)現(xiàn)兩種材料強度的丟失與時間有密切關系，浸泡時間越長，強度降解越大。此外，還與溫度有關，浸泡溫度越高，降解值也越大。萬雪飛【系統(tǒng)的研究了三維編織碳纖維增強熱塑性樹脂尼龍（）復合材料的吸濕性能。其研究認為（）復合材料的吸濕要比復合材料的吸濕大，吸濕規(guī)律都符合定律，認為的（胡）復合材料吸濕后的力學性能能夠達到骨折固定的要求。劉弘】對骨固定用三維編織聚乙烯纖維增強熱塑性樹脂的力學性能進行了研究。張宗強對

21、三維編織碳纖維和芳綸纖維增強熱塑性樹脂尼龍（胡訂和）復合材料的力學性能進行了研究。研究表明，復合材料的彎曲性能、沖擊性能和剪切性能都比基體和單向纖維方向的復合材料要好，復合材料的韌性和耐沖擊性要比第一章緒論，。復合材料的好倍。而且，這兩種復合材料的彎曲模量都與骨相匹配，與金屬材料相比，更適合作為骨固定材料。張大興等混雜纖維復合材料混雜效應實驗與分析。芳綸纖維具有良好的耐介質性能，對中性化學藥品的抵抗力較強，但易受各種酸堿的侵蝕，尤其是強酸的侵蝕；它的耐水性也不好，這是由于分子結構中存在著極性酰氨基；濕度對纖維的影響，類似于尼龍或聚酯。在低濕度（相對濕度下芳綸纖維的吸濕率為，但在高濕度（對濕度）

22、下，可達到。纖維復合材料的研究進展纖維復合材料具有優(yōu)異的力學性能，其中研究比較成熟的是簡單層板和層合復合材料，但以上材料存在一些缺點與不足，如簡單層板只是在纖維方向即縱向或軸向具有很好的力學性能，而在垂直纖維方向即橫向的力學性能較差，并與縱向的力學性能相差較大。層合復合材料避免了簡單層板只是在單一方向性能好的特點，在復合材料的橫向也具有良好的性能，但層合復合材料的致命的缺點是：由于層間粘結較弱，在層合板的厚度方向各簡單層板之間容易發(fā)生分層破壞。在這種情況下，由于三維編織結構是將連續(xù)纖維相互交織成網(wǎng)狀，在縱向、橫向和厚度方向部具有連續(xù)性、對稱性和周期性，這樣三維編織復合材料在縱向、橫向和厚度方向

23、都具有優(yōu)異的力學性能，也避免了層合復合材料的層間分層現(xiàn)象。所以三維編織復合材料是一種多向性復合材料，其部件和結構可承受多向應力和熱應力。由于纖維和三維編織結構的各向異性，其性能是由很多參數(shù)表征的，如各方向的拉伸強度與模量、壓縮強度與模量、各方向的剪切強度與模量、彎曲性能、抗沖擊性能等，從實驗的方法得到這些參數(shù)的值是不可能的。目前纖維復合材料的標準只有單向復合材料和定向纖維增強塑料的標準。一般三維編織復合材料的力學性能實驗的拉伸和壓縮性能的標準參照定向纖維增強塑料的標準。由于非主軸方向的加載不能得到純剪切應變，所以目前還沒有剪切實驗的標準。只是對單向纖維復合材料剪切實驗的加載方式有一定研究。對三

24、維編織復合材料的研究主要是其彎曲性能的研究：由于沒有統(tǒng)一化的標準，拉伸性能和壓縮性能的研究只是數(shù)據(jù)的積累階段；剪切性能的研究還沒有，或者可以說由所應用的方法得到的并不是剪切強度和模量。三維編織復合材料的研究主要集中在建立三維編織復合材料幾何模型，對其彈性常數(shù)進行預報，但三維編織復合材料的強度還主要是由實驗得到。剛度和強度特性的實驗測定中的關鍵是使試件承受均勻應力狀態(tài)，在這種應力狀態(tài)下才能第一章緒論得到各種模量和強度。對于各向異性復合材料來說，當載荷作用在非材料主方向時，可能會出現(xiàn)以下結果之間出現(xiàn)的耦合影響：（）正應力和剪應變：（）剪應力和正應變：（）正應力和彎曲曲率；（）彎曲應力和正應變，出現(xiàn)

25、耦合后，將不會得到復合材料的模量和強度。所以三維編織復合材料的實驗研究存在很多困難，其制備工藝復雜，實驗方法的標準化水平較低，使得編織復合材料的實驗研究還很不充分，仍需大量的實驗研究其變形和破壞規(guī)律，正處于探索階段。只能借鑒簡單層板和層合復合材料的實驗研究方法、分析方法和破壞機理等對三維編織復合材料進行研究。纖維復合材料力學性能的研究進展纖維復合材料的力學性能在成型過程中得到，并在很大程度上由成型工藝參數(shù)決定。如成型溫度乃和壓力淞固化時間和纖維在模具中的放置方法。纖維復合材料的力學性能與三個基本參數(shù)的關系為：艫，（，）成型壓力（特別是低壓時），對垂直于增強纖維平面的強度影響最大。成型參數(shù)嚴重影

26、響著由聚合物基體所決定的性能【】。許沭華等通過實驗較系統(tǒng)地研究了纖維增強復合材料的動態(tài)壓縮力學性能實驗結果表明，在沖擊壓縮載荷作用下纖維增強復合材料有明顯的損傷軟化現(xiàn)象和應變率效應針對纖維增強復合材料動態(tài)應力一應變實驗曲線，提出了含損傷的動態(tài)本構方程。等人研究了復合材料，研究結果表明隨玻璃纖維含量增加，復合材料的彎曲模量幾乎呈線性增加，但彎曲強度在不同含量都存在最大值，其壓縮吸收能在纖維含量為時取得最大值，隨后隨纖維含量增加，壓縮吸收能降低。使用長纖維、連續(xù)纖維和（交聯(lián)）聚合物基體，可以在較大范圍內(nèi)改進復合體的力學性能。在復合材料細微力學設計中，纖維體積含量是一個很重要的參數(shù)。含量過低，不能充

27、分發(fā)揮復合材料中增強材料的作用；含量過高，纖維和基體閥不能形成一定厚度的界面過渡層，無法承擔基體對纖維的力傳遞，也不利于復合材料抗拉強度的提高。故合理的纖維體積含量的設計是復合材料強度設計中的重要因素。在玻璃纖維和環(huán)氧樹脂復合體系中，纖維體積含量許用下界為?？赡軌褐频纳蠘O限界限為，從抗拉強度角度考慮，許用上限為【矧。第一章緒論三維編織復合材料的研究進展三維編織可織成復雜的、規(guī)則的形狀，可以制成接近近似形狀的編織物預制件，減少了工裝工作時間，現(xiàn)在可以編織橫截面為型、型、直角型、橢圓形、對稱形的橫截面。與普通層壓復合材料制造工藝不周的是，編織是同時進行結構制造的。在編織過程中，結構工藝大大影響最后

28、結構件的整體性，要制造好接近近似形狀的結構復合材料，必須根據(jù)襲征材料的力學行為和幾何要求來確定設計準則，所以表征織物材料的力學行為和構件的結構響應是重要的。三維編織技術編織工藝的原理是：由許多按同一方向排列的纖維卷通過紗線運載器精確地沿著預先確定的軌跡在平面上移動，使各纖維相互交叉或交織構成網(wǎng)絡狀結構，最后打緊交織面而形成各種形態(tài)增強結構的三維織物。隨著三維編織技術的發(fā)展，已有多種編織方法相繼出現(xiàn)。最常用的三維編織方式有矩形（板狀）編織和圓形管狀）編織。最常用的編織工藝有四步法編織和二步法編織。目前，人們在傳統(tǒng)的四步法或二步法的基礎上，對部分工藝稍作改動就可編織出不同的異型結構復合材料預制件：

29、。三維編織結構的控制方程，即求得三維編織結構的總掛線數(shù)：、，。型巧。臼（）式中：三維編織總掛線數(shù)；廠纖維體積含量；一復合材料成品的橫截面積（）一纖維密度（）；纖維線密度（登尼爾）；一纖維編織角。圖三維編織復合材料的單元體一由式（）可知，如果已知纖維密度、纖維線密度及纖維體積含量和纖維編織角，對于給定的復合材料制品的橫截面，可求得三維編織所需的纖維總掛線數(shù)。由于三維編織結構對稱性、連續(xù)性，其基本單元是個立方體，如圖所示。而三維編織結構的控制方程與單元體的確定是一致的。建立三維編織復合材料的單元體模型可以更好的了解三維編織結構的各參數(shù)之間的關系。單元體幾何第一章緒論尺寸由纖維編織角口，纖維含量，纖

30、維單絲直徑及纖維束單絲數(shù)等幾何量的關系得到。乜口：！竺?。ǎ┻挹A）：、（，）、其中、為單元體的長、寬、高，目為纖維編織角，聲為纖維束在面的投影與軸的夾角。同時形也為三維編織結構的節(jié)距?？捎们S編織復合材料的纖維和基體復合材料用增強體的種類很多，其中已廣泛應用的新型纖維狀增強體有：碳纖維（）、特種玻璃纖維等無機纖維，還有芳酰胺（芳綸或）纖維、超高分子量聚乙烯（）纖維等有機纖維。這幾種纖維都可作為三維編織復合材料的增強體。這幾穢纖維的性能如表所示。表為纖維在應用過程中的性能評價結果。由表可知，芳綸纖維的應用的綜合性能優(yōu)良，以下為芳綸纖維的特點：芳綸纖維具有優(yōu)越的熱穩(wěn)定性、高結晶性、高取向結構及高

31、拉伸性能。其玻璃化轉變溫度高和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性使芳綸纖維在高溫度下可以保證抗沖擊結構的穩(wěn)定性；高結晶、高取向性產(chǎn)生了高模量，保證了高的波動速率及對軸向變形的快速反應；高彈性和中等延伸率使芳綸纖維具有高韌性，從而在縱向斷裂時能有效工作。這些性能使芳綸纖維在承受沖擊載荷對能有效趿收軸向應交能和縱向動能。表新型纖維增強體種類及性能第一章緒論表纖維應用中的性能比較基體在復合材料中起著重要作用，支持纖維并使其成為一個整體，它以剪應力形式向纖維傳遞載荷，同時可保護纖維免受外界環(huán)境的侵蝕。對基體的主要要求是【：（）與纖維表面有良好的結合力，以構成一個完整的界面。纖維表面通常具有羰基、羥基和羧基等活性基團，樹脂

32、基體應具有與此相反應的，或相適應的基團，從而形成化學鍵或范德華鍵。（）與纖維相匹配的彈性模量和斷裂伸長率。在復合材料中主要承載體雖然是纖維，但是復合材料的縱向拉伸和縱向壓縮的承載能力受基體的彈性模量影響很大。斷裂伸長率的匹配對于發(fā)揮纖維的性能尤為重要。如果基體的斷裂伸長率高于纖維，則才有可能使斷裂發(fā)生在纖維或纖維與樹脂的界面，從而獲得較高的承載能力和高的韌性。（）耐濕熱。復合材料構件的耐濕熱性主要取決于基體的耐濕熱性，它關系到結構的結構效率和使用安全可靠性，為此要求基體，包括固化劑在濕熱環(huán)境下仍能有效的工作。（）工藝性。主要指樹脂在一定溫度下粘度和流動性，對纖維的浸潤性。目前用于三維編織復合材

33、料的基體主要分為兩類：熱固性樹脂基體熱固性樹脂是用固化劑在高溫或室溫下固化的不熔不溶的交聯(lián)結構高分子。熱固性村脂的高彈形變小，在溫度形變曲線中不存在流動溫度的轉變。目前應用較多的熱固性樹脂主要是環(huán)氧樹脂，它具有如下特性：（）環(huán)氧樹脂中羥基和醚鍵的存在，使它與纖維有強的結合力。（）改變樹脂和固化劑的品種和用量，就可得到性能不同的樹脂。（）樹脂固化過程中一般不釋放水分子和低分子物，具有較好的工藝性。（）尺寸穩(wěn)定性好，固化收縮率小。（）制造成本低。第一章緒論熱塑性樹脂基體熱塑性樹脂是線型和支化結構高分子，這一類樹脂的特點適于熱軟化或熔融而處于可塑性狀態(tài)，冷卻后又變堅硬，而且這一過程可以反復進行。如聚

34、苯乙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯、通常的有機玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）等。應用較多的熱塑性樹脂為尼龍、聚丙烯、聚砜、等。這類塑料的不足之處：強度、硬度、耐熱性、尺寸精度較低，熱膨脹系數(shù)較大，力學性能受溫度影響較大，蠕變、冷流、耐負荷變形大等。用纖維增強熱塑性塑料，可以達到下述效果：提高拉伸、彎曲、壓縮等力學強度及彈性模量，改善蠕變性能；提高熱變形溫度；降低線膨脹系數(shù)；降低吸水率，增加尺寸穩(wěn)定性；改善熱導率；提高硬度；抑制應力開裂；延遲燃燒性；。改善電性能。由于熱塑性復合材料的斷裂韌性、沖擊強度等方面都優(yōu)于熱固性復合材料，它的抗損傷容限高，熱穩(wěn)定性好，可成型性、廢品再用率均大大改善，浸漬物存放時間長

35、，是航空航天領域和生物醫(yī)用材料中很好的結構材料?？偟膩碚f，熱塑性樹脂的屈服強度和彈性模量與環(huán)氧樹脂的值接近，但熱塑性樹脂的塑性流動使它的斷裂伸長率高達，而環(huán)氧樹脂僅，所以熱塑性樹脂的韌性使復合材料的沖擊強度顯著提高。在斷裂韌性、沖擊強度和吸濕方面都優(yōu)于熱固性樹脂基體。在耐高溫、抗熱濕、抗沖擊、熱穩(wěn)定性、損傷容限以及吸濕方面都大大優(yōu)于環(huán)氧樹脂。熱塑性樹脂基體代表了復合材料樹脂系統(tǒng)的發(fā)展。由以上的敘述，本課題擬選用的增強體為芳綸纖維，基體為有機玻璃來制備三維編織復合材料。三維編織復合材料的成型工藝適合于編織結構復合材料的成型工藝主要有真空浸漬法、編織拉擠法、熱塑性樹脂基體編織復合材料成型法、預浸紗

36、成型技術和工藝等。通常使用的有真空浸漬法和工藝。真空浸漬法是在真空狀態(tài)下，使纖維編織物沉于樹脂中浸漬，然后固化成型的一種工藝。這種工藝所要求的設備簡單、工藝條件容易控制，主要適合制造體積含量不高和尺寸精度要求不高的制件。包括真空處理、浸漬、固化定型三個階段。真空浸漬法的缺點是樹脂浪費大，生產(chǎn)過程是間歇式，纖維體積含量相對較低，制品的表面質量差。但由于其投資少、工藝簡單、工藝容易實現(xiàn)，通常在實驗或產(chǎn)品試制中使用。第一覃緒論維編織復合材料的有效彈性模量，其方法是將復合材料的代表性體積單元進行簡化分析，在織物同一層所有的單胞結構中，平行于一個對角向的所有纖維束被看成一個傾斜的層板，則單胞被看作是四個

37、具有相同厚度的傾斜單向層板。對于每一個單向層板，被看作橫觀各向同性材料，利用三維應力一應變分析，得到纖維主軸方向的剛度矩陣，再通過應力轉換矩陣，分別得到四個纖維束方向的偏軸坐標系下即外力施加方向的剛度矩陣，然后組集成整體結構的剛度矩陣。等【將、軟件和有限元方法應用于編織復合材料幾何模型的建立，并分別對纖維和基體進行了網(wǎng)格劃分，基于層合理論計算了纖維和基體中的應力。梁軍】等對含有徽裂紋的三維編織復合材料的彈性常數(shù)進行了預報，研究了材料制備和使用中產(chǎn)生的微孔洞、微裂紋等細觀缺陷對材料性能的影響?！康扔米鲌D方法得到了編織復合材料中纖維形狀圖，并對纖維束和基體分別進行網(wǎng)格化，得到了各自的應力分布，但沒

38、有給出編織復合材料彈性常數(shù)的計算方法。課題研究背景及內(nèi)容研究背景傳統(tǒng)金屬骨固定材料存在明顯的應力遮擋效應，而一般聚合物及其復合材料不能滿足某些承重骨的要求?；诖巳藗兲剿髁藢⑵渌冗M材料應用于骨固定材料。主要是生物陶瓷材料、可降解吸收材料和纖維復合材料。但以上前兩種材料的研究還處于發(fā)展探索階段，有待進一步的研究解決很多技術難題。三維編織復合材料是一種新型的紡織復合材料，其內(nèi)部結構具有周期性、對稱性和連續(xù)性，在縱向、橫向和厚度方向都具有優(yōu)異的力學性能和可設計性，其結構可以承受多向應力，是一種多向性復合材料。它具有多向纖維構成的空間精細網(wǎng)狀結構，編織體一次成型，結構不分層，整體性好且連續(xù)，提高了沿

39、厚度方向的力學性能，有較好的能量吸收和抗疲勞性能，且能與技術相結合直接成型形狀復雜的結構，可以克服層合板復合材料的層間分層現(xiàn)象?；诖?，本課題擬以三維編織復合材料作為骨固定或骨替換材料。纖維增強復合材料主要采用環(huán)氧樹脂作為基體，因為它的綜合力學性能較好，強度和模量適宜，硬度好，有較大的粘附力，具有較高的耐腐蝕性、幾何穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。但研究和應用都很多的三維編織熱固性復合材料，由于其所應用的纖維主要為碳纖維，因碳纖維是一種無機纖維，其韌性不足?；谝陨显?，本課題擬以三維編織芳綸纖維為增強體，選擇生物相容性很好的熱塑性樹脂有機玻璃（）和綜合力學性能優(yōu)良的環(huán)氧樹脂作為基體，第一章緒論研究三維編織

40、芳綸纖維增強復合材料（）和芳綸纖維增強環(huán)氧）復合材料的制備工藝和力學性能，并應用計算機輔助復合材料設計法對復合材料迸行設計。最終，對全髖人工關節(jié)進行應力分析，由應力結果分析復合材料的受力狀況。研究內(nèi)容和復合材料力學性能研究與比較。主要研究制備工藝、纖維處理工藝和纖維編織參數(shù)對彎曲性能、剪切性能和沖擊性能的影響規(guī)律。和（復合材料吸濕性能研究與比較。主要研究吸濕時間、溫度、吸濕介質和纖維體積分數(shù)對復合材料吸濕性能的影響規(guī)律。復合材料摩擦磨損性能研究。主要研究纖維處理工藝、纖維體積分數(shù)、載荷和速度、纖維取向對摩擦磨損性能的影響及復合材料的磨損機理分析。，三維編織復合材料的模擬。主要為建立三維編織復合

41、材料的交叉模型，并對交叉模型進行修正。而且應用建立三維編織復合材料的有限元模型，并由應力結果驗證三維編織復合材料的增強機理。全髖人工關節(jié)的應力分析。主要分析人工關節(jié)運動中，人工關節(jié)的最大應力位置、大小和形式，以確定三維編織復合材料是否能夠滿足使用要求。第二章三維編織復臺材料制各及力學性能研究第二章三維編織復合材料制備及力學性能研究前言金屬材料和高分子材料等傳統(tǒng)骨固定材料都具有一定的局限性，而三維編織復合材料是一種新型的紡織復合材料，其內(nèi)部結構具有周期性、對稱性和連續(xù)性，在縱向、橫向和厚度方向都具有優(yōu)異的力學性能和可設計性，其結構可以承受多向應力，是一種多向性復合材料。它具有多向纖維構成的空間精

42、細網(wǎng)狀結構，編織體一次成型，結構不分層，整體性好且連續(xù)，提高了沿厚度方向的力學性能，有較好的能量吸收和抗疲勞性能，且能與技術相結合直接成型形狀復雜的結構，可以克服層合板復合材料的層潤分層現(xiàn)象。所以本研究將三維編織復合材料用于骨固定和骨替換材料【?；w在復合材料中起著重要作用，它支持纖維并使其成為一個整體，它以剪應力形式向纖維傳遞載荷，同時可保護纖維免受外界環(huán)境的侵蝕。熱塑性樹脂是線型和支化結構高分子，由于熱塑性樹脂具有塑性流動，使它的斷裂伸長率高達。有機玻璃是一種應用很廣的種熱塑性樹臘，由于其具有良好的生物相容性，使其在生物材料中得到了很好的應用口。而環(huán)氧是一種應用廣泛的熱固性樹脂，環(huán)氧樹脂中

43、羥基和醚鍵的存在，使它與碳纖維和芳綸纖維有強的結合力和很好的粘結性，具有較好的工藝性，固化收縮率低。纖維結構中具有芳香環(huán)和具有高抗旋轉件的和一一鏈，所以在纖維軸向上有著很高的比拉伸強度、延展性和韌性，對于要求較高的復合材料來說它是極好的增強體。所以本文以有機玻璃和環(huán)氧樹脂作為編織復合材料的基體，選擇芳綸纖維為復合材料的增強體制備了和復合材料【”。力學性能是材料最重要的性能。骨固定材料在使用過程中要承受各種載荷，對其結構和性能有一定要求；基于以上骨固定材料結構和力學方面的要求，因為三維編織復合材料具有比強度高、比模量大、抗疲勞性能好等優(yōu)點，但用于承力結構時，在制造和使用過程中，也必須考慮其力學性

44、能。本章的研究內(nèi)容包括：（）和復合材料的制備工藝：（制備工藝對力學性能的影響；（）纖維處理工藝對力學性能的影響；）纖維編織參數(shù)對力學性能的影響。第二章三維編織復合材料制各及力學性能研究實驗過程及方法實驗材料基體聚甲基丙烯酸甲脂（）（）環(huán)氧樹脂酸酐固化劑，由天津合成材料研究所提供，纖維芳綸纖維為，性能如下：，由上海合成纖維研究所提供。其結構式為：屺一一旬刊（）由正交旋轉組合設計實驗法對三維編織芳綸纖維參數(shù)進行設計，其編織參數(shù)如表所示。表因素水平編碼表曲化學試劑甲基丙烯酸甲脂：分析純丙酮：分析純無水酒精：聚乙烯醇脫模劑：過氧化苯甲酰（）分析純天津科威公司天津市開發(fā)區(qū)樂泰化工有限公司天津市華威公司天津市華威公司無