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，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)中使用碳纖維復合材料和輕金屬合金是技術(shù)上的最大飛躍。當代假肢設備可幫助成千上萬的人至少部分補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動，甚至打破記錄。

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

1. 當代成型技術(shù)：

   當代義肢的關(guān)鍵特性是可以根據(jù)小我身高，體重和肌肉結(jié)構(gòu)進行定制。使用涉及機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)。英特力碳纖維復合材料的最大上風在于，它們可以生產(chǎn)具有薄壁和復合曲線的深層部件。通過使用對開模與樹脂傳遞模塑法和預浸料法相結(jié)合，可以生產(chǎn)任何種類的復雜結(jié)構(gòu)

2. 沿零部件轉(zhuǎn)變的機械性能：

   假體有望完全復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)實和更重。當我們檢查骨骼時，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)學上被稱為沃爾夫定律，規(guī)定骨骼在高應力區(qū)域（例如尖端）的密度和強度較高，而低應力區(qū)域的密度和強度較低。脛骨尖端的密度和抗壓強度進步了50％。因為花在零重力上的時間很長，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度和模量。分外是使用樹脂傳遞模塑法和當代纖維鋪網(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)具有不同強度的組件

3. 高比強度：

   在溫血動物中，肌肉和腱有助于身體活動，而骨骼和關(guān)節(jié)則是負重。目前，由醫(yī)療機構(gòu)批準并在實踐中常規(guī)使用的假肢可接管骨骼的功能。具有內(nèi)部電源的自動修復術(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械強度。當前可用的碳/環(huán)氧復合材料容易產(chǎn)生700 MPa的拉伸強度和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度變得更加顯明。除了其抗張強度外，高抗壓強度和斷裂韌性還有助于進步這種材料的品質(zhì)。假肢的生產(chǎn)還有其他候選人。常規(guī)的木材，玻璃纖維/聚酯復合材料，玻璃和碳纖維/熱塑性復合材料，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。從絕對強度，模量和斷裂韌性來比較，碳纖維復合材料最類似于自然骨。

4. 理想的重量分布：

   上述碳纖維復合材料的比強度是如此之高，以至于可以制造出具有與天然腿雷同強度但同時又輕60％的假體。最初生產(chǎn)的碳纖維假體確實特別很是輕。因為采用了這種新材料，整個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年代的實驗注解，這些超輕假體根本不實用。干擾人體的最佳體重分布會產(chǎn)生不良效果。改變?nèi)梭w的重量分布會使坐下，彎曲或舉起等運動變得更加困難。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。還發(fā)現(xiàn)手臂假肢的重量必須與肌肉在其整個生命周期中風俗移動的重量大致雷同。通過將重物附著在假體中最合適的位置，在一個點上散布或集中該重物的微調(diào)對于碳纖維/環(huán)氧復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生命周期中風俗移動的重量大致雷同。通過將重物附著在假體中最合適的位置，在一個點上散布或集中該重物的微調(diào)對于碳纖維/環(huán)氧復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生命周期中風俗移動的重量大致雷同。在碳纖維/環(huán)氧復合材料中，通過將一個重物附著在假體中最合適的位置，在一個點上分散或集中該重物來進行微調(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，除了要具有高強度外，還必須易于清潔，不吸濕，耐腐蝕，耐細菌和真菌感染，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)氧樹脂不會刺激人體皮膚，并且不會引起過敏。皮膚不測接觸假體不會造成任何危險。碳復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”。在施加的應力和所產(chǎn)生的應變之間呈現(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完善的彈簧，使動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，都會發(fā)生彈性碰撞，幾乎所有動能都被轉(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，人類行使雷同的動能/勢能轉(zhuǎn)換。在玻璃，芳族聚酰胺和碳纖維復合材料的三點彎曲測試開始時觀察到的線性區(qū)域（胡克固體的特性）在碳/環(huán)氧復合材料中最為顯明。在這三種不同的復合材料中，碳纖維復合材料在變形較小的情況下最吻合胡克定律。我認為，這是碳纖維復合材料成為假肢選擇材料的重要緣故原由。

7.委靡強度：

假體材料的另一個要求是委靡強度。顯然，假體所承受的負載并不保持恒定，而是隨著每個步驟而轉(zhuǎn)變，隨著設備賡續(xù)彎曲并返回其原始外形。每種已知材料在重復彎曲肯定次數(shù)的循環(huán)后都會失去部分強度，最終導致組件損壞。天然，對于假體裝配來說，漸漸降低強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合材料在反復彎曲時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)了不同材料委靡導致的強度損失程度。在此圖表中可以看到，碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料在經(jīng)歷了極高的應力循環(huán)次數(shù)后仍具有很高的殘余強度。在機翼，風力渦輪機葉片和一級方程式賽車中使用碳纖維/環(huán)氧復合材料可證實這種材料具有極高的委靡強度。

8.結(jié)論：

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