使用短纤维增强复合树脂和聚乙烯纤维的桩核修复技术：断裂载荷与失效模式的体外评价

《Materials》：Post-and-Core Buildup Techniques with Short Fiber-Reinforced Composite and Polyethylene Fiber: In Vitro Evaluation of the Fracture Load and Mode of Failure

　　

本研究结合实验调节和数值模拟，以评估水引起的泳镜密封圈降解及其在代表性载荷条件下的机械响应。研究人员对两种密封圈几何形状进行了建模，其中较平坦的轮廓作为参考，而更具解剖学代表性的变体则使用有限元分析进行分析，涉及不同邵氏A硬度的氯丁橡胶、硅胶和SEBS材料在规定的眶周压力分布下的表现。将商用密封圈在氯化水、蒸馏水和盐水中静态浸泡20、30和40天进行调节，随后测量其邵氏A硬度、断裂力和断裂伸长率。数值结果表明，尽管整体变形幅度相似，但密封圈几何形状在很大程度上影响了与面部贴合度相关的预测变形模式。长时间暴露于水中导致了显著的材料降解。无论环境如何，经过20天调节后断裂力下降了约48%，40天后下降了约50%。在氯化水和蒸馏水中，断裂伸长率变化了约3-4%，而盐水导致20天后减少约11%，40天后减少36%。此外，材料硬度在20天后下降了约10-13%，随后几乎保持不变。在所采用的循环加载-恢复模拟中，硅胶表现出比SEBS低得多的残余变形。总体而言，结果证明了材料选择和几何优化的重要性，并为结合环境调节与实验校准数值模型的进一步研究提供了比较基础。

研究背景、目前存在的问题及研究意义：泳镜作为游泳必备配件在长期使用中面临诸多挑战，如防雾涂层恶化及复杂环境中使用寿命较短。特别是密封圈部分，长时间接触水环境易发生材料老化与疲劳，导致密封性能下降。以往研究多集中于海洋密封圈或关注温度引起的老化，针对泳镜密封圈在长时间水域环境下的水致降解及其机械响应的研究较为缺乏；且大多数泳镜采用均码设计，难以完全贴合不同面部形状，凸显了密封圈材料和几何设计的重要性。为解决这些问题，研究人员开展了一项结合实验调节与数值模拟的研究，评估泳镜密封圈水致降解及其机械响应。研究得出结论，材料选择和几何优化对设计长效耐用泳镜至关重要，硅胶在长期形状恢复方面优于SEBS，盐水环境会导致最严重的材料降解。该研究为运动装备制造商提供了材料选择的比较基础，论文发表在《Materials》上。

主要关键技术方法：研究人员主要采用两项关键技术方法。首先是实验调节方法，将商业SEBS（苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物）泳镜密封圈样本分别置于氯化水、蒸馏水和盐水（盐度35‰）中进行静态浸泡，周期分别为20、30和40天，随后测量其邵氏A硬度、断裂力和断裂伸长率。其次是数值模拟方法，利用ANSYS进行几何非线性静态分析，采用Neo-Hookean超弹性模型（其中C₁₀为材料常数）对氯丁橡胶、硅胶和SEBS等材料进行有限元分析（FEA，一种通过离散化求解复杂工程问题的数值方法），评估变形与应力。此外，还采用循环松弛与材料敏感性分析评估长期稳定性与刚度影响。

研究结果：
4.1. 模拟结果：通过有限元分析发现，尽管不同材料整体变形幅度相似，但密封圈几何形状对与面部贴合度相关的预测变形模式有显著影响。循环松弛模拟中，SEBS的永久变形为0.16 mm，而硅胶仅为0.0046 mm，表明硅胶形状恢复能力更优越。峰值变形主要集中，最大等效应变在舒适贴合条件下约为5.3%，在过紧配合条件局部最大等效应变增至25-31%。此外，SEBS密封圈变形表现出对邵氏A硬度的指数依赖性，支持邵氏A 30-50为最佳硬度范围。

4.2. 材料敏感性分析：在25 kPa均匀压力下对SEBS模型进行敏感性分析。预测位移随初始剪切模量增加而单调递减。在共同作用力F_z = 14.936 N下，邵氏A20、参考和邵氏A40变体的位移分别为0.534 mm、0.373 mm和0.225 mm。参考SEBS模型中体积加权平均压缩应变为1.24%，仅0.13%的体积压缩超过30%；而邵氏A20变体平均压缩应变为11.83%，有11.45%的体积超过30%压缩，说明高局部压缩应变仅局限于极小体积内，但较软材料会显著增加大变形范围。

4.3. 密封圈材料硬度：硬度测试得出，所有样本在调节期间硬度明显下降。盐水中硬度几乎呈线性下降，40天后下降14.88%；氯化水和蒸馏水中硬度呈强非线性下降，30至40天后趋于平缓。单因素方差分析（ANOVA，一种用于检验多个总体均值是否存在显著差异的统计方法）表明水类型对硬度的影响在各周期均具有统计学意义。

4.4. 密封圈材料抗拉强度：拉伸测试结果表明，调节后断裂力明显下降。最大降幅出现在20天后，40天后趋于稳定，且不同环境下降值相当。40天后的分析显示水类型对最大断裂力有统计学意义的影响，所有两两比较均显著。

4.5. 密封圈材料的相对断裂伸长率：研究发现，氯化水和蒸馏水条件下断裂伸长率变化不大，40天后最大降幅约4%；盐水调节导致伸长率显著下降，20天后下降11.31%，40天后下降36.11%。分析证实盐水对断裂伸长率有显著不利影响，且在各时间点均与氯化水和蒸馏水存在显著差异。

讨论与结论：数值模拟揭示了不同材料和几何形状的重要差异。尽管SEBS邵氏A40提供良好初始密封性能，但循环加载中其永久变形远高于硅胶，表明硅胶具有更出色的长期尺寸稳定性，更适合耐用泳镜。几何形状差异显著影响与面部的贴合接触，凸显了恰当几何设计对可靠密封的关键作用。实验表明，长时间暴露于不同水环境会导致材料性能可测量降解，盐水对断裂伸长率破坏最严重，氯化水和蒸馏水主要降低断裂力而较少影响伸长率。研究指出实验与数值部分为互补关系。研究存在局限性：静态浸泡未完全反映动态变形、紫外线等复杂因素；数值模型用规定分布压力代替与面部软组织的明确接触，缺乏特定材料的定量校准。未来研究应开发反映实际游泳条件的加速老化方案，结合微观结构表征和实验验证。本研究为了解氯丁橡胶、硅胶和SEBS密封圈的相对性能提供了见解，强调了材料选择和几何优化的重要性。