人造骨杨氏弹性模量的测量与材料物理稳定性的研究(2)

人造骨杨氏弹性模量的测量与材料物理稳定性的研究

40

实 验 室 研 究 与 探 索

而下降的距离,g为重力加速度3.2 实验内容和方法

[8]

第27卷

美国用PEEK开发长期植入人体的骨关节、韧带、肘关节、手指等很多部位,应用效果很好。金属及合金

弹性模量较高,如不锈钢200GPa,钛合金110GPa。而骨骼组织的弹性模量只有10~30GPa左右,因而不能相匹配。松质骨的弹性模量范围在(3.2~7.8)GPa之间,皮质骨弹性模量为(17~20)GPa。纯PEEK弹性模量为(3.86 0.72)GPa,经碳纤维增强可至(21.1 2.3)GPa,与骨组织十分接近,明显优于金属

[4]

[3]

。

(1)对霍尔位置传感器进行定标。连接杨氏模量测定仪与数字电压表,调节杠杆水平,并使霍尔元件处于磁场中央。调节调零电位器使在初始负载情况下仪器指示处于零显示。调节读数显微镜,使标线、叉丝、

刻度都清晰可见,记下初始读数值。

逐渐增加砝码,精确测量传感器信号输出值 U和读数显微镜测量的位置变化 z,即对霍尔传感器进行定标,求出灵敏度K=

U。。已有相关实验证明,在一定温度下较长时间

[5]

内的生理环境下,其杨氏模量并未有较大改变。另外,由于其耐高温(可在280!C下长期使用),且摩擦系数小等特性,PEEK材料现已广泛应用于化学加工、齿轮、阀门内衬、轴承等工业方面。

(2)测量人造骨及其他常见材料在通常环境下的杨氏弹性模量。将各待测材料分别放置在测定仪上,逐渐增加砝码,记录每次电压表的数值Ui。根据已测

定的灵敏度,可得出相应的位移值 z,代入公式(2),得到该材料杨氏弹性模量值。测量时要注意,由于各材料厚度有差异,需对仪器进行调整,从而必须对不同材料重新定标。

(3)测量人造骨在常温下湿度变化时杨氏模量的改变。将人造骨和毛发湿度计放置在一较大有盖容器内。容器内放有一盛有热水的蒸发皿为该小环境加湿。观察湿度计数值改变,到达一定湿度后,取出蒸发皿,待内部稳定后,将人造骨用薄膜包好,进行杨氏模量的测量。

(4)测量人造骨在温度变化时杨氏模量的改变。将人造骨上安装数字温度计探头,用薄膜包好,在防止浸水的条件下,对其进行水浴加热。达到一定温度后,迅速将其取出放在测定仪上测量杨氏模量。

(5)测量人造骨在生理盐水环境中浸泡不同时间

3 实验部分

3.1 实验装置

人造骨材料杨氏弹性模量的实验装置为FD HY 1霍尔传感器法杨氏弹性模量测定仪。实验装置简图如图1所示

[6]

。

图1 实验装置简图

1 移测显微镜2 横梁3 刀口4 砝码5 有机玻璃盒(内装磁铁)6 磁铁(两块)7 三维调节架8 铜杠杆(杠杆顶端贴有95A型集成霍尔传感器)9 铜刀口上刻度线

下杨氏模量的改变。将人造骨浸泡在质量分数为0.9%的生理盐水中。在浸泡不同时间后,分别取出测定其杨氏模量。

当集成霍尔传感器在均匀梯度磁场中移动 z#时,有输出霍尔电势变化 UH

UH=K#I

式中,

[7]

4 实验结果

4.1 公式(2)中有关参量测量结果

刀口距离d=(22.83 0.01)cm。

试样厚度用千分尺测量,宽度用游标卡尺测量,厚度a 和宽度b 均为测量10次的平均值。

表1 各种材料的厚度和宽度

材料人造骨铸铁片有机玻璃板(厚)

厚度 a/mm5.63 0.290.91 0.014.15 0.332.89 0.07

宽度 b/mm23.36 0.2723.32 0.3323.44 0.5423.68 0.49

B

z# z#

(1)

B

为磁感应强度梯度,I为通过霍尔元件的电流,K#为霍尔元件的灵敏度。式(1)说明:由于梁弯曲的位移量 z与 z#成正比,所以将 UH和 z对应关系进行定标,便可用电测法测量梁的位移量 z

用横梁弯曲法测杨氏模量E时,有公式

E=34ab z

3

[6]

。

(2)

有机玻璃板(薄)

其中:d为两刀口间距离,a为梁的厚度,b为梁的宽度,zm4.2 霍尔传感器的定标结果

搜索“diyifanwen.net”或“第一范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，第一范文网，提供最新高等教育人造骨杨氏弹性模量的测量与材料物理稳定性的研究(2)全文阅读和word下载服务。