碳纤维与Perlon层压复合材料在假肢接受腔应用中的表征：实验与数值分析研究

本文针对假肢接受腔材料性能优化问题，研究团队通过碳纤维与Perlon层压复合材料的实验与数值模拟，系统评估了其力学性能与疲劳特性。研究采用ASTM D3039标准进行拉伸测试，结合ANSYS静态结构模拟三阶段载荷（100N/200N/400N），发现材料最大正应力达19.9MPa，X轴变形量0.009mm，疲劳寿命达430万次。该研究为轻量化、高耐久性假肢设计提供了新型复合材料解决方案。

　　

在假肢技术领域，接受腔材料的性能直接决定患者的舒适度与行动能力。传统金属和单一聚合物材料往往面临重量大、应力分布不均等问题，而碳纤维增强聚合物（CFRP）虽具有高强度特性，却存在脆性断裂风险。伊拉克研究团队Hussein Kadhim Sharaf等人在《Next Materials》发表的研究，创新性地将碳纤维与柔性Perlon纤维以[0°/90°/Perlon]s序列层压，试图解决假肢接受腔材料刚度与韧性难以兼顾的行业痛点。

研究采用多尺度分析方法：通过ASTM D3039标准测试获取材料弹性模量（1.51GPa）和极限强度（38.2MPa）；利用Instron 8801进行张力-张力疲劳测试（R=0.1，5Hz）；结合ANSYS Static Structural模块建立三维有限元模型，采用SOLID186单元进行网格收敛性验证（元素尺寸2mm时误差<0.74%）。特别设计了模拟步态周期的三阶段载荷（100N/200N/400N）来模拟实际使用场景。

【3.1 统计显著性验证】

通过ANOVA分析证实三批次试样的拉伸强度无显著差异（p>0.05），批间偏差控制在±3.1MPa内，证实制备工艺稳定性。

【3.2 拉伸性能】

应力-应变曲线显示，4Perlon+2碳纤维+4Perlon的十层结构实现34MPa屈服强度，弹性模量较纯Perlon提升300%。ANSYS模拟显示400N载荷下颈部出现19.9MPa应力集中，与实验断裂位置高度吻合。

【3.3 变形分析】

X轴主导变形（0.009mm）表明材料具有各向异性特征，Y/Z轴变形量可忽略，这种特性有利于假肢接受腔的定向力传导。

【3.4 疲劳特性】

采用Sendeckyj模型修正传统金属疲劳理论，在10MPa应力幅下实现430万次循环寿命，较传统尼龙材料提升15倍。失效模式分析显示，20%UTS（极限抗拉强度）以下载荷不产生可见损伤。

【3.7 理论验证】

通过经典层压理论（CLT）计算的预测模量（1.43GPa）与实测值（1.51GPa）偏差仅5.3%，证实实验体系可靠性。与文献对比发现，该材料强度虽低于autoclave（高压釜）成型CFRP（600-750MPa），但优于天然纤维混合体系（78-118MPa），在成本与性能间取得平衡。

这项研究的重要意义在于：首次量化了碳纤维/Perlon混杂层压结构在生物力学载荷下的响应规律，其1.45的安全系数（ISO 10328标准对比）和定向变形特性，为定制化假肢接受腔设计提供了新材料选择。特别是通过±45°Perlon夹层设计，在保持碳纤维轴向强度的同时，显著提升了层间剪切性能（G₁₂=1.7GPa），这对预防接受腔分层失效具有临床价值。未来研究可进一步优化铺层角度序列，并开展实际假肢用户的行走动力学验证。