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蜂窝塑料提供了一个智能假肢设计的未来

宋钰

2021-07-05 15:07:06

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他们想研究破坏导电细胞PEEK复合材料是否会影响其电阻。如果

发明者表示，一种新型的轻质、抗冲击的塑料“蜂窝状”结构可以感知受损，可以用于新型的“智能”假肢和医疗植入物。

在今天发表在《材料与设计》杂志上的一篇新论文中，由格拉斯哥大学领导的工程师团队描述了他们如何使用3D打印技术为聚醚醚酮﹙PEEK﹚塑料添加新的性能。

PEEK的机械性能、耐高温和耐化学物质的性能使其在航空航天、汽车和石油和天然气领域有广泛的应用。

该团队在其细胞PEEK结构中添加了微型碳纤维，使这种通常不导电的材料能够在其结构中携带电荷。

他们想研究破坏导电细胞PEEK复合材料是否会影响其电阻。如果是这样的话，它将赋予这种新材料“自我感觉”的能力——例如，当髋关节植入物的导电性发生变化时，它可以报告，表明它已经磨损，需要更换。

为了测试他们的设计的自我感知能力，他们使用3D打印创建了三种不同的蜂窝结构——一个六边形结构，一个十字形手性结构，以及一个使用碳纤维PEEK材料和传统PEEK材料的六边重入设计。

然后，他们对蜂窝结构施加两种类型的载荷，以比较它们各自吸收能量的能力。在挤压试验中，持续施加压力直到结构倒塌，碳纤维PEEK的每一种设计都优于传统的PEEK，后者能够承受更高的压力。

然而，在冲击试验中，一个重物从高处落到结构上，三种碳纤维PEEK结构表现出更强的抗损伤能力。六边形蜂窝结构的碳纤维PEEK有最好的响应，承受更大的影响比其他任何。

在碾压试验中，研究人员还测量了碳纤维PEEK细胞结构在三种不同结构受力时对电荷的抵抗能力。当压缩应变增加时，对施加应变的电阻的变化——一种被称为压阻灵敏度的损伤进展测量——会降低，当结构完全被压碎时，导致电阻几乎完全损失。不同构型下观察到的不同测量因子与它们吸收能量的能力相关的损伤增长率，这表明碳纤维PEEK的压敏性有助于创建新一代智能轻量化多功能结构。

格拉斯哥大学James Watt工程学院的Shanmugam Kumar博士是这篇论文的通讯作者。阿拉伯联合酋长国哈利法大学和英国剑桥大学的同事也对这项研究做出了贡献。
库马尔博士说:“PEEK的独特特性使得它对工业部门来说都是无价的，我们希望碳纤维工程的PEEK细胞结构，我们已经能够通过3D打印建造，将打开进一步的可能性。”

“3D打印为我们提供了大量的设计控制和细胞结构的密度。这将使我们能够制造出更接近天然骨骼生理特性的材料，而不是传统上用于髋关节或膝关节置换等医疗植入物的固体金属合金，有可能使它们更舒适、更有效。

“我们希望这些微工程轻量化的细胞形式，我们开发的自感知PEEK将在广泛的领域找到新的应用，不仅是在假肢和其他医疗设备，而且在汽车设计，航空航天工程和石油和天然气部门。”