碳纤维材料特性及其在截肢短跑运动假肢中的应用

陈伟 田一明 王喜太

【摘 要】随着残疾人竞技运动的发展和运动员成绩的不断提高，在截肢短跑运动项目领域，一部分残疾人运动员的成绩甚至接近正常运动员的成绩。截肢运动员在参加短跑运动竞技运动项目时，碳纤维假肢是其获得良好运动成绩的必不可少的装备。文章在对碳纤维材料所具备特点进行详细阐述的基础上，结合假肢的基本结构首先探讨碳纤维材料在假肢中的應用，然后分析碳纤维假肢技术对于截肢短跑运动员成绩提高所起的重要作用，最后对碳纤维材料的假肢在截肢短跑运动中的发展前景进行了展望。

【关键词】碳纤维；运动假肢；材料特性；材料应用

【中图分类号】TB332 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）10-0078-03

0 引言

随着社会的进步与发展，残疾人的生活起居受到越来越多的关注，政府也在加大力度鼓励残疾人多参加一些社会活动。伴随着残疾人的运动需求的增长，越来越多的残疾人运动辅具应运而生。2008年北京残奥会，南非无腿飞人皮斯托瑞斯享受着碳纤维运动假肢带给他的殊荣。皮斯托瑞斯佩戴碳纤维假肢所获得的百米成绩仅比奥运飞人博尔特慢了1 s，这一成绩的获得除了与其勤奋努力的训练有一定关系外，还应该归功于他所佩戴的重量仅为3.63 kg重的“刀锋”。自从2004年以来，皮斯托瑞斯佩戴它连续26次打破残疾人世界纪录，碳纤维假肢也因此越来越受到世界关注。

碳纤维假肢于1988年首次应用于残奥会赛场，至今已有近30年的历史，期间研究人员对其材料和设计不断加以改进，以适应不同生理结构和特征的运动员。目前，在短跑赛场上，残疾运动员所佩戴的假肢均是由碳纤维材料制成，碳纤维假肢也逐步被高水平残疾人运动员所接受。因此，2012年伦敦奥运会和残奥会之后，碳纤维运动截肢假肢被应用到了运动场上，使膝下截肢运动员的比赛成绩有了大幅提升，短跑竞技运动项目有了更进一步的发展，运动员的成绩也一步逼近健全人[1]。

本研究内容在对碳纤维材料所具备特点进行详细阐述的基础上，结合碳纤维假肢在截肢短跑运动中的发展历史分析了碳纤维假肢的性能，并探讨碳纤维运动假肢对于截肢短跑运动员成绩提高所起的重要作用，最后对碳纤维材料的假肢在截肢短跑运动中的发展前景进行了展望。本文所指的假肢均是小腿假肢，即膝下截肢的运动员所佩戴使用的假肢。

1 碳纤维材料的特性

碳纤维是一种含碳量在95%以上的新型纤维材料，不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代特别增强纤维。作为一种高性能纤维，该材料已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用，从航空航天、自动化、机械、电子电力、工业生产、轻工纺织品等民用到工业生产再到运动器材和休闲用品等[2]。近年来，碳纤维材料在运动假肢领域得到了广泛的应用，本节将从碳纤维材料所具有的特性方面阐述碳纤维材料在运动假肢应用方面的优势。

1.1 密度低

碳纤维材料具有密度低的特点，在能承受高温的结构中，它是最轻的材料。由于假肢尤其是运动假肢对材料的密度有较高要求，轻便的运动假肢不仅能够给运动员带来使用上的舒适性，还有助于其成绩水平的提高。此外，碳纤维材料的断裂韧性较高，能够适应运动员短跑前期的爆发力，因此相对于其他材料而言，碳纤维材料在重量上和抗断裂性上特别适用于短跑运动假肢的开发。

1.2 比强度高、比模量高

碳纤维具有比强度高、比模量高的特性。比强度高的材料能够承受很强的应力，比模量高意味着材料轻且刚性大，因此碳纤维材料相对于其他金属材料在用作假肢材料上更具有优势。表1对几种常见材料的性能进行了比较。

1.3 具有各向异性

碳纤维除了具有一般碳素材料耐腐蚀、耐摩擦的特性以外，又兼备纤维的柔软，可加工成各种织物，是科技进步下的产物。碳纤维凭借其良好的强度，可用作假肢接受腔内部的加强材料。将碳纤维制成预浸料，利用铁芯卷制方法和模压成型工艺制作假肢的支撑构件和支撑杆，实现假肢的高强度和轻量化，代表了当代假肢在轻量化技术上的先进水平[3]。在现有结构材料中，碳纤维的强度、碳纤维沿纤维轴方向堆砌的硬度都非常优秀。

1.4 优良的抗疲劳性能

疲劳强度是指材料在无数次的反复无穷次循环下不发生破坏的最大应力，叫做疲劳强度或疲劳极限。碳纤维材料本身所固有的结构稳定，制成的复合材料经过应力疲劳数百万次的实验后，其强度保留率仍有60%，而钢材为40%，铝材为30%，而玻璃钢则只有20%～25%，因此设计的假肢安全系数较高。

2 碳纤维材料在假肢中的应用

由于疾病、地质灾害、工程作业等成为截肢者的人数不断增加，因此安装假肢的需求也逐渐增多。小腿假肢对恢复和代替人体功能起着至关重要的作用。下面逐一介绍碳纤维材料在这些机构上的应用。

2.1 储能脚

储能脚的内部含有弹性储能元件，它能够通过步态周期存储和释放能量，进而实现更加轻便的行走动作。世界上有将近20种储能脚，基本都是用碳纤维复合材料制作而成的。典型的碳纤维储能脚产品有美国的飞毛腿假肢系列，其假脚均是由碳纤维复合材料制作。此外，德国奥托搏克公司的Dynamic Pro和德国奥托搏克公司的Hanger Quantum、美国College Park Industries Inc.公司的多轴动态响应脚TruSetpTM也是采用碳纤维材料[4]。

2.2 碳纤维踝关节

踝关节处于连接小腿和脚的关键部位，这个特殊位置的关节承载了身体大部分的重量，并且对身体稳定性有重要影响。碳纤维材料具有强度高耐疲劳的特点，因此能够承受剧烈程度不同的长期活动。德国奥托博克公司的碳纤维人工踝关节及碳纤膝踝稳定矫形器已经作为产品推向市场。相对于传统材料制成的踝关节，碳纤维踝关节在减少运动补偿和耐用性方面更具有优势。

2.3 碳纤维接受腔

由于假肢接受腔对材料的要求较为苛刻，需要能够加工成壁薄且要求容易安装。由于碳纤维材料加工相对简单又具有容易成型性，并且具有抗摩擦抗疲劳的特点，因此能够明显延长接受腔的使用寿命。

2.4 碳纖维支撑构件

支撑构建的材料需要具备一定的强度，并且轻质材料的应用能够能够减轻假肢重量，使关节轻、稳定、摆动平滑顺畅，减少运动员的体能消耗。几种智能关节采用的碳纤维的框架结构是由英国布莱奇福特假肢制造公司研制的，其具有高水准的稳定性和安全性，此外得益于碳纤维材料轻盈的重量，能够保证能效。

3 碳纤维假肢在截肢短跑运动发展中的作用

3.1 碳纤维运动假肢的演化

1984年，美国工程师Van Phillip首次将碳纤维材料应用到运动假肢中，设计出碳纤维假肢Flex-Foo，这种假肢通过利用碳纤维材料对小腿和足跟进行一定程度的韧性设计，使其能够在跑动过程中产生轻微的弯曲形变吸收能量，当形状恢复时释放能量。美国残疾人运动员Dennis Oehler通过佩戴Flex-Foo，在1988年残奥会上的单侧膝下截肢组100 m跑比赛中，以11.73 s的成绩获得冠军。随着1992年假肢的弹性足跟被去除，第一款短跑专用假肢从此诞生。此后设计的碳纤维运动假肢与1992年的款式相比并无根本性改动，并且都具有如下特点：{1}采用重量相对较轻的碳纤维作为假肢主要材料；{2}为了增加运动时的稳定性和提高运动成绩，针对不同的使用者的具体情况进行个体化设计，碳纤维运动假肢的形状能根据运动员特点进行优化设计；{3}使用者反馈使用的功能性和舒适性，可不断地修正完善至适合使用者。

3.2 碳纤维接受腔

碳纤维运动假肢凭借其重量轻、可靠性佳的特点在截肢短跑运动中得到了广泛的应用。通过众多研究表明，碳纤维运动假肢在400 m后程更占优势，一些顶尖运动员在400 m后程的平均速度已经非常接近顶尖健全运动员的平均速度，这表明碳纤维运动假肢凭借其结构和材料上的特点，能够充分发挥其在前阶段存储能量的特点，并在奔跑后程释放能量，这样既能节省运动员的体力，同时也能为运动员的后期冲刺做好能量储备。采用高弹性、高强度的碳纤维材料制作的假肢，其释放能量与储存能量之比高达95%以上，碳纤维假肢极高的能量效率和较轻的质量，使截肢者在使用时更节省能量[5]。

4 总结与展望

目前，碳纤维运动假肢的研究在我国还处于起步阶段，但是国外已经在此领域获得了相当巨大的成果，一些国外的假肢公司在碳纤维运动假肢领域已经有了近30年的技术积淀，并且已经有了相应的实物成果应用到专业赛场上。纵观国内外碳纤维运动假肢领域，仍存在技术难点待解决，首先是如何尽量降低碳纤维运动假肢的成本，碳纤维运动假肢由于材料昂贵和制作工艺上复杂，导致其价格昂贵，很难被更为广泛的截肢运动员所使用；其次是如何在碳纤维材料及假肢结构上根据不同运动员的竞技特征进行优化调整，如不同运动员可能擅长不同的比赛阶段，使运动员发挥自身最大的运动潜力；最后是应用传感器技术测量不同奔跑阶段的碳纤维运动假肢的受力情况，为结构和材料优化和耐久性测试提供实验基础。

参 考 文 献

[1]张军献，虞重干，苏小霞.竞争性或非竞争性：残疾人参与体育运动的思考[J].体育科学，2008，28（4）：57-

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[2]李进卫.碳纤维增强复合材料性能特点及其应用领域[J].化学工业，2015，33（8）：13-18.

[3]顾良娥，周恒香.碳纤维在假肢技术中的应用[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2016（1）：239.

[4]NOLAN L.Carbon fibre prostheses and running in

amputees：A review[J].Foot Ankle Surgery，2008，

14（3）：125-129.

[5]冯毅，文安，刘宇.科技进步在残疾人竞技运动中的作用——以膝下截肢短跑运动为例[J].体育科学，2014，34（11）：67-73.

[责任编辑：陈泽琦]