[发明专利]用于生物材料冲击力学性能测试的电磁式实验装置

说明书

本发明涉及一种用于生物材料冲击力学性能测试的电磁式实验装置，属于科学仪器与材料力学性能测试领域。拉伸‑压缩加载单元、冲击加载单元分别安装在矩形框架两侧，复合生物材料试件安装在拉伸‑压缩加载单元上，矩形框架安装在圆形底座的中心位置，复合生物材料试件与位检测单元中的高速相机呈三角形分布且角度固定。利用电磁力作驱动力对复合生物材料试件施加任意载荷比的拉‑冲击或压‑冲击耦合载荷，利用力传感器检测施加在试件的拉伸或压缩载荷以及电阻应变片检测试件所受的冲击载荷，同时利用高速相机对生物材料样品试件的受力变形和裂纹萌生、扩展等进行原位检测。该装置可为生物材料冲击实验提供有效测试工具。

技术领域

本发明涉及生物材料力学性能测试领域，属仪器仪表类，特别涉及生物材料冲击载荷实验系统，尤指一种用于生物材料冲击力学性能测试的电磁式实验装置。利用电磁力做驱动力对生物材料施加拉伸、压缩和冲击耦合载荷，同时利用高速相机对复合生物材料试件进行原位检测，为揭示生物材料在拉伸和压缩预载荷条件下，受冲击载荷时的变形损伤机制和性能演化规律提供了一种新型实验装置。

背景技术

无论是在现在机械工程领域还是在日常生活领域中，冲击载荷都有着普遍的分布，冲击载荷是指一种大小随时间快速变化的载荷。由于冲击载荷对工程材料和生物材料的使用和安全有重大影响，因此研究冲击载荷显的得尤为重要。目前应用较为广泛的冲击载荷加载装置有摆锤、落锤、霍普金森杆、轻气炮、电磁冲击等。落锤式冲击实验机是利用落锤冲击实验件而施加冲击载荷，这种装置具有结构简单、操作方便的特点，但也具有体积过大、冲击速度一般不超过16m/s、不能实现恒速加载和恒定载荷加载等缺点。轻气泡冲击实验机适用于平板撞击、斜板撞击实验，也可用于对高应变材料的动态性能研究、应力波在实验材料中传播性的研究。这种冲击加载方式具有清洁、无污染、适用于较复杂的动态性能实验等优点，但这种加载设备的适用范围非常有限，主要缺点是设备结构复杂，运行成本高。霍普金森杆是实验室和工程中常用的一种冲击加载方式，具有结构简单、便于操作，测量方法准确、施加波形容易控制、应变率测量范围广等优点，但在材料的测试上具有局限性，对金属或合金为主的材料，由于金属的塑性变形能力强，拉伸或压缩具有对称性，因此测量误差小，但对于结构具有多变性且复杂的复合材料，其阻抗、延展性与金属相比有较大差距，不适合采用这种实验装置。生物材料一般均为有机高分子复合材料，因此在生物材料测试中不适宜使用霍普金森杆。以上所述的冲击加载装置具有体积大、成本高、安全性差、适用范围小等局限。

生物材料一般指生物医学材料，是一类人工或天然的材料，可与药物一起制成部件或器件用于人体的组织、器官的治疗、代替或增强，例如假牙、假肢等，而且不会对生物体产生明显或潜在的危害。生物材料研究的首要目的够修复甚至代替人体的器官和组织，并且能够发挥生理功能作用。生物材料种类众多，依据材料的生物性能可分为生物惰性材料、生物活性材料、生物降解材料和生物复合材料。生物惰性材料指一类可在生物环境中稳定存在，不发生或仅发生微弱化学反应的生物医学材料。主要有氧化物陶瓷、玻璃陶瓷、医用碳素材料、医用金属材料等几类，这类材料可用来制作人工关节做生物体的制成材料。生物活性材料是一类能够实现调节生物活性的生物医学材料主要有以下几类：羟基磷灰石（这种材料也是生物体骨头和牙齿的主要无机成分），磷酸钙生物活性材料，磁性材料，生物玻璃。生物降解材料指植入人体后，能不断被水解且分解的产物能够被生物体吸收或排出体外的一类材料。生物复合材料，顾名思义，由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料，该材料主要用于修复、替换人体组织、器官或增进其功能和制造人体器官。如今，生物材料科学已经成为一门与现代医学、保健等系统密切相关的学科，不仅如此，它还与材料、生物化学、物理等学科有着密切关联，生物材料由于重要的使用价值因而得到了世界各国的广泛重视，具有很高的研究意义和有非常好的应用前景。

现在市场上出售的冲击载荷试验机多存在载荷加载单一，应用范围小等不足之处，考虑到生物材料和生物体一般都处于复杂应力环境，受到的载荷多为拉-冲击或压-冲击耦合载荷，故不能较好的模拟并反映生物材料真实使用环境下的力学性能以及损伤机理。

发明内容