力学增强且降解延缓的编织型丝素纤维人工韧带材料研究

针对人工韧带产品在临床应用中存在的问题,如不可降解、应力遮挡、中远期疲劳松弛、慢性炎症等,研究力学性能优良的可降解人工韧带材料是新的发展方向。以丝素纤维为原材料,设计并制备了一种“壳芯”结构的人工韧带原型材料(artificial ligament, AL),并以负载纳米羟基磷灰石(hydroxyapatite, Hap)的聚氨酯(polyurethane, PU)溶液对AL进行涂层得到人工韧带材料(coated artificial ligament, CAL),并对CAL的形态结构、显微结构、力学性能、降解性能、细胞和组织相容性等进行了系统表征。研究结果表明:“壳芯”结构的CAL结构规整、表面平整、孔隙均匀。相较于AL,CAL的力学性能得到了显著提高(P<0.05),且体外降解速率明显延缓。此外,CAL的细胞及组织相容性良好,炎症反应低。该项研究可为开发新型高强可降解人工韧带产品提供理论依据及实践参考。

三维角联锁机织复合材料的制备及其弯曲压缩失效机制

为掌握三维纺织结构复合材料在准静态下的失效机制,以碳纤维角联锁预制体为增强体,环氧树脂为基体,采用树脂传递模塑成型工艺制备三维角联锁机织复合材料,并对试样进行匀速载荷下的三点弯曲和压缩试验。采用X射线计算机断层扫描技术观测材料内部结构的损伤情况,并分析材料的失效机制。结果表明:三维角联锁机织复合材料的弯曲强度达到136.43 MPa,弹性模量接近20 GPa,材料的抗弯曲性能优异;基体开裂、下表面纤维断裂和分层是材料的主要弯曲失效模式;材料沿厚度方向的压缩应力达到266.17 MPa,具有良好的抗压缩性能;当承受压缩载荷时,材料在厚度方向上的主要破坏机制表现为剪切破坏。

三维织物复合材料高速冲击性能和损伤机制研究

三维织物复合材料在航空航天抗冲击结构领域有较好的应用潜力。本文采用钛合金圆柱弹和三维织物复合材料平板开展了30余次直线打靶试验,弹体速度范围为160~280 m/s,获得了弹回、嵌入、贯穿等不同的冲击试验结果和复合材料靶板损伤形式,根据试验结果分析了三维四向编织、三维五向编织、三维正交机织三种不同结构复合材料的冲击性能和损伤机制,并进行了对比差异分析。研究发现三种结构靶板受弹体冲击后损伤情况类似,撞击点局部出现纤维断裂拔出和基体开裂,三种结构均没有出现分层。三维四向编织结构损伤区域呈锐角十字形,损伤扩展沿编织方向;三维五向编织结构和三维正交机织结构损伤区域呈菱形,损伤扩展沿90°和0°方向。比较本文三种结构平板试验件,发现三维正交机织结构拥有最高的弹道极限,并且损伤区域面积最小。

碳纤维增强环氧树脂三维编织/单向织物混杂复合材料力学性能

为研究层间混杂碳纤维三维编织/单向(3D/UD)织物增强环氧树脂复合材料的力学性能,采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)成型工艺制备混杂复合材料层合板,通过试验研究分析了不同混杂比、铺层角度以及铺层顺序对混杂复合材料静、动态力学性能的影响。结果表明,单向碳纤维的加入显著提高了混杂复合材料的层间静态力学性能,其层间剪切性能随织物铺层分散性的增加而提升。而随着UD织物铺层比例的增加,混杂复合材料的弯曲性能和储能模量先升高后降低,压缩性能则不断下降。单向碳纤维的铺层角度对混杂复合材料力学性能的影响也较大,0°单向铺层混杂复合材料的静、动态力学性能均优于30°单向铺层混杂复合材料;在相同混杂比下,铺层顺序的不同对混杂复合材料的力学性能也有较大影响,0°单向铺层的三明治结构U6/3D/U6,其弯曲强度和弯曲弹性模量最高,分别为1210 MPa和117 GPa。此外,混杂复合材料3D编织层的失效以丝束与树脂的界面破坏为主,而单向层的失效以纤维断裂和分层破坏为主,不同的失效形式导致了混杂复合材料力学性能的差异。

Electrical⁃Mechanical Coupling Behaviors and Thermal⁃Resistance Effects of 3D Braided Composites

Electrical-mechanical coupling behaviors and thermal-resistance effects of 3D braided composites under external loads are important for structural health monitoring(SHM). Electrical conductivity and electrical-mechanical coupling behaviors of 3D braided carbon fiber/epoxy composites under uniaxial tension were reported. It was found that the transverse resistance decreased and the axial resistance increased with the increasing braiding angle. The fractional change in resistance increased linearly as the strain was below 1.0%, and the nonlinearity appeared when the strain exceeded 1.0%. The negative temperature coefficient(NTC) effect was observed before the glass transition temperature Tg of epoxy resin, while there was a positive temperature coefficient(PTC) effect after Tg.

基于DIGIMAT的碳纤维增强环氧树脂编织复合材料的力学性能

为准确预测不同编织工艺参数下编织复合材料的等效弹性性能,拓宽碳纤维增强环氧树脂编织复合材料的应用领域。建立了考虑随纤维路经产生扭结缺陷的二维三轴编织复合材料的代表性体积单元(RVE),并基于平均场均匀化方法,利用DIGIMAT预测复合材料的等效弹性模量,分析不同编织角对编织复合材料等效工程常数的影响规律;其次基于强度失效准则,预测编织复合材料在单轴拉伸加载情况下的力学性能;最后通过数值模拟获得编织复合材料RVE的应力与应变。结果表明:预测的编织参数对等效工程常数的影响规律与试验测量一致,获得的应力、应变可为进一步研究其损伤破坏行为提供参考。

热定形工艺对高强型聚酯工业丝结构性能的影响

为探究不同热定形温度获得的高强型聚酯工业丝性能差异的内在结构因素,对3种高强型聚酯工业丝的结构性能进行对比。采用小角X射线散射和广角X射线衍射方法对其多尺度微观结构进行研究,结合力学性能及热收缩等结果,明确不同热定形工艺对高强型工业丝结构性能的影响。结果表明:热定形温度主要影响聚酯工业丝非晶区取向和片晶结构;相比于高强中缩(HTMS)和高强(HT)聚酯工业丝,高强低伸型(HTLE)聚酯工业丝的热定形温度低,高倍牵伸产生的伸直非晶区分子链在较低热定形温度下并未及时排入晶格形成结晶,而发生了小幅的回复,导致HTLE聚酯工业丝表现出非晶区取向高、结晶度低、晶粒尺寸小与片层倾斜角较大的结构特点,从而使断裂伸长率最小、初始弹性模量最大、尺寸稳定性差。

PPDO/可降解铁混合编织血管支架的结构设计及力学性能

针对用聚对二氧环己酮(PPDO)制备的血管支架(PS)存在支撑强度与支撑时间不足的现状,设计可降解金属Fe与PPDO混合编织血管支架(FPS)。为达到更好的支撑效果,设计并制备PPDO轴纱加固支架(tFPS)与PCL固结编织点加固支架(hFPS)。采用平板压缩法评价血管支架的径向压缩性能;采用弯折法(定性)与悬臂梁法(定量)评价血管支架的弯曲性能;对血管支架进行50 d的体外加速降解试验,观察支架的形貌变化并计算质量损失。结果表明:tFPS、hFPS的径向支撑力相比PS、FPS提高约2倍,有利于保持血管支架植入前期的支撑性能;hFPS的柔顺性优于tFPS;所有支架均具有超过30 d的力学稳定性,FPS、hFPS、tFPS的PPDO组分降解速度快于PS。总体而言,hFPS在降解过程中表现出优异的结构稳定性。

一体化机械编织食管覆膜支架的力学性能与编织参数关系

运用一体化编织技术,通过调控镍钛合金丝直径、编织目数(PPI)和材料配比,制备了一系列一体化编织食管覆膜支架,探讨了以上编织工艺参数与食管覆膜支架之间的构效关系。结果表明:镍钛合金丝直径是影响食管覆膜支架径向压缩强力的主要参数。本文研究范围内,镍钛合金丝直径越大,覆膜支架的径向支撑性越好,但较大的镍钛合金丝直径会降低覆膜支架的柔顺性,故较合适的镍钛合金丝直径为0.20~0.22 mm。PPI对覆膜支架的径向支撑性和柔顺性影响较小,但仍可见PPI增大时,覆膜支架的径向压缩强力呈增大趋势,但当PPI为40时,覆膜支架弯曲时的直径减小率最大,故较优的PPI为35。材料配比本质上是指覆膜支架中镍钛合金丝的含量,材料配比大,镍钛合金丝的含量高,覆膜支架的径向压缩强力大,直径减小率小,然而,覆膜支架的弹性回直力增大,即柔顺性降低;因此,较合适的材料配比为13。

“口”字形碳纤维/铝复合材料的制备及力学性能

为实现汽车轻量化,提高汽车安全系数,以碳纤维、铝板为增强材料,环氧树脂为基体,采用真空导入成型工艺制备超混杂三维编织“口”字形碳纤维/铝复合材料,研究了所制备复合材料的弯曲和冲击性能,分析“口”字形编织及铝板对复合材料力学性能的影响。结果表明:采用“口”字形编织,解决了纯碳纤维树脂基复合材料韧性差的问题,在减轻质量的同时使得复合材料挠度增大,冲击强度提高16.64%;在编织时加入铝板,复合材料承受弯曲载荷提高26.02%,冲击强度在“口”字形编织的基础上再提高23.53%。

三维编织复合材料应变测量方法对比研究

针对三维编织复合材料受载时应变场不均匀、试样表面较小区域的应变数据不能真实反映材料的整体变形等问题,本文通过经向无缺口拉伸试验,进行了3种不同丝栅尺寸应变计、引伸计和非接触式三维全场应变测量系统的应变测量结果对比分析。研究结果表明,三维编织复合材料受载时应变场分布是不均匀的,且变形量差异较大;采用更大丝栅尺寸的应变计可以降低三维编织复合材料变形不均匀的影响,获得更准确的应变结果;非接触式三维全场应变测量可以准确反映被测试样的全场应变,为三维编织复合材料的力学性能测试提供准确的应变数据。

医用取石网篮扭转角传递性能测试装置的设计及应用

为定量表征医用取石网篮的扭转角传递性能,设计一种取石网篮扭转角传递性能测试的装置,该装置可在体外模拟网篮在人体腔道内的屈曲状态。利用该装置对伸直状态和屈曲状态下不同编织密度和长度的取石网篮进行扭转角传递性能测试,并引入扭转角传递系数进行定量表征。结果表明:屈曲状态会使网篮的扭转角传递性能明显降低,导丝编织密度为7个/cm的网篮导丝在伸直状态下的扭转角传递系数与导丝存在2处屈曲状态下相比减小了31%。在相同的屈曲状态下,网篮的扭转角传递性能与导丝的编织长度呈负相关,与编织密度呈正相关。该装置可实现精确测量与表征不同编织参数和测试状态的取石网篮的扭转角传递性能,可为取石网篮的临床应用和开发生产提供参考。

三维编织和角联锁复合材料的高速冲击响应

为了探究三维纺织结构复合材料高速冲击下应变率效应和结构效应,制备了碳纤维增强三维编织和三维角联锁复合材料,采用霍普金森压杆(SHPB)系统和高速摄影系统记录了三维编织和三维角联锁复合材料在高速冲击过程中应力应变曲线和渐进损伤过程。结果表明:编织和角联锁复合材料在高速冲击下都具有一定的应变率效应,并且都呈现剪切损伤,但编织复合材料呈现明显延性损伤而角联锁复合材料呈现明显脆性损伤。由于编织复合材料内部纤维束交织紧密,损伤后仍能承受一定载荷并且结构也能保持完整性,因此相较于三维角联锁复合材料,三维编织复合材料具有更好的抗冲击性能。

导电负泊松比纱的制备和性能

为获得结构稳定且可重复拉伸的导电负泊松比纱,以弹性氨纶丝为芯纱,镀银锦纶长丝为包缠和导电组分,分别用2根、4根、6根镀银锦纶长丝与氨纶进行编织,制备了3种负泊松比纱;利用强力仪、高清微焦电子显微镜和万用表测量这几种负泊松比纱的轴向拉伸性能、结构形变和电阻值,探究镀银锦纶长丝根数与负泊松比纱性能之间的关系。结果表明:镀银锦纶长丝根数越多,负泊松比纱的断裂强力越大,断裂伸长率越小;包缠2根镀银锦纶长丝的负泊松比纱,在伸长率为10%时具有最显著的负泊松比效应,泊松比值为-3.26;经过定伸长10%循环拉伸30次后,负泊松比纱能保持较好的拉伸性能和负泊松比效应;制备的3种负泊松比纱均具有导电性。该结果可为优化负泊松比纱线传感器的设计和加工工艺提供参考。

针刺二维编织复合材料的弯曲性能实验研究

当下二维编织复合材料应用广泛,特别是在特定的结构件上,这主要是二维编织拥有较好的一体性,但是与三维编织等其他材料相比,二维编织复合材料的层间连接性并不突出,将针刺工艺引入二维编织复合材料,并对30°、40°、50°、60°编织角的复合材料的弯曲和短梁弯曲性能进行考察,结果显示:针刺工艺确实增强了复合材料的层间强度,其中提升最明显的属于50°编织角的二维编织双轴针刺复合材料,层间剪切强度提升了24.56%,并且针刺对于双轴二维编织复合材料层间剪切强度的提升要优于二维编织三轴复合材料,但是针刺工艺也让复合材料的部分面内性能有所下滑。二维编织复合材料随着编织角度的增加复合材料的弯曲和层间剪切强度等性能都会有所下降,其中性能最好的属于30°编织角的二维编织复合材料,三轴30°编织复合材料弯曲强度和模量达到了595.49 MPa、23.41 GPa,与三轴60°编织角的复合材料相比,强度和模量分别提升了103.1%和67.9%。

编织复合材料拉伸力学性能的研究

针对三维四向和五向编织复合材料进行了拉伸实验，从宏观角度研究了它们的力学行为，获得了这些材料的主要力学性能参数及变形、破坏规律。基于宏观实验，本文还对拉伸试件断口进行了扫描电镜测试，从细观角度对编织复合材料的破坏机制作了分析，得到一些重要结论。

三维四向编织碳/环氧复合材料实验研究

讨论了三维四向编织碳／环氧复合材料力学性能研究的实验方法。通过实验得到了弹性常数及反映材料非线性行为的力学性能指标随编织角的变化规律，并分析讨论了编织参数对该类材料破坏模式的影响作用。

碳纤维三维编织复合材料的结构对拉伸和弯曲性能的影响

研究了碳纤维四步法三维四向、三维五向编织结构复合材料的拉伸和弯曲性能,以及结构参数-编织角的变化对其拉伸和弯曲性能的影响,并与层合复合材料作了对比性研究。结果表明,三维编织复合材料具有良好的力学性能,其拉伸强度可达810MPa、拉伸模量可达95.6GPa,弯曲强度可达829.03MPa、弯曲模量可达67.5GPa。同时,编织角和编织结构对复合材料性能有较大的影响。随着编织角的增大,复合材料的拉伸、弯曲强度和模量均减小;三维五向结构的拉伸、弯曲强度和模量均高于四向结构;在纤维体积含量相近的情况下,通过对编织角的设计,可以设计三维编织复合材料的性能。

三维五向编织复合材料纵向性能的实验研究

通过对具有不同编织结构参数的三维五向编织复合材料试件的纵向拉伸和压缩实验,分析了该类材料的纵向拉、压刚度和强度随编织工艺参数的变化规律以及材料的失效形式。三维五向编织复合材料在破坏前基本保持线弹性,纵向拉、压破坏具有脆性特征,拉伸模量和压缩模量比较接近,但拉伸强度远大于压缩强度。编织角和纤维体积含量对材料性能的影响显著,纱线粗细的影响不大。提高第五向纱线的比例,可提高材料的纵向性能。此外,研究中采用短标距薄板试件,以避免试件产生整体屈曲和端部纤维束开裂破坏。

三维编织复合材料的疲劳性能

研究了三维编织复合材料的疲劳性能和编织结构对疲劳性能的影响.进行了应力比为0.1、实验频率为10 Hz的拉-拉疲劳性能测试.结果表明,三维编织复合材料的疲劳强度约为其抗拉强度的60%～80%,比金属材料的疲劳强度的相对值高.编织角是影响三维编织结构复合材料疲劳性能的一个主要因素.随着编织角的增大,疲劳过程中易出现各种损伤,而且伴随明显的升温现象.编织角大的试件在疲劳实验过程中模量变化明显,并且呈现逐渐升高的趋势,这与金属材料的双模量变化规律不同.在疲劳次数为100万次后,试件的剩余强度高于静载拉伸强度,这主要是由于在疲劳测试过程中,试件内编织纱线的取向更接近受力方向所致.