股骨防护用海绵材料的缓冲性能研究

张 彤，高树枚，宋义林

（黑龙江大学 机电工程学院，哈尔滨 150080）

0 引 言

随着世界人口老龄化的发展，老年人不慎摔倒引起的疾病负担越来越严重。据世界卫生组织报告指出，2002年全球有39．1万人死于摔倒，＞60岁的老年人占50%左右，＞70岁占40%左右。摔倒会严重影响老年人的健康水平和生活质量，也会为家庭和社会带来沉重的经济负担。调查显示，日常生活中因摔倒而发生骨折导致老年人瘫痪是仅次于脑卒中、衰老之后的第三位原因。并且股骨部位特殊，一旦发生骨折，不易愈合，长期卧床会引起老年人全身性的并发症，重者甚至危及生命［1］。因此，老年人股骨骨折的预防是一个紧要课题。

在老年人股骨骨折预防措施方面的研究，目前国内外已有了相关的文献。例如，巴西的Jose Daniel Diniz Melo等人研发了一种聚合物复合材料防护器［2］；荷兰的 N．M．van Schoor等人通过落锤冲击实验系统对硬质和软质股骨防护器的有效性进行了实验研究［3］；芬兰的Pekka Kannus等人通过真人实验的方式检测防护器的有效性［4］；美国的Tatjana Bulat等人针对反复冲击对股骨防护器的防护性能的影响进行了实验研究［5］等。在我国，研究人员也对硬质高分子防护器［6］、老年人防摔保护器［7］和自制髋保护器［8］等开展了相关研究。这些研究从不同的方面探讨了老年人股骨骨折的防护方式、方法及其防护的有效性，对后续的研究是有益的。特别是上述相关研究都以实验为基础，其结论对股骨保护器的开发具有实际意义。但是，这些研究也有一定的局限性。比如，研究中对所选用防护器的防护材料并没有进行更多的探究，只对特定的防护器的有效性进行了实验评价。另外，有些实验由于对试验者没有很好的保护，所以实验方法上具有一定的危险性。

本文以老年人不慎摔倒时的股骨防护器开发为目的，以材料的缓冲性能实验为研究手段，通过自行开发的缓冲材料实验装置，对多种海绵材料的缓冲性能进行了实验研究，得到了有益的结果，也为新型股骨防护器的研制提供了依据。

1 材料缓冲性能实验系统

1．1 实验装置

有资料表明，老年人自然摔倒时在股骨附近产生的瞬时冲击力可达3 700N［9］，而一般情况下股骨所能承受的负荷仅为2 100N，老年人因为骨骼老化及骨质酥松的程度各不相同，程度高者所能承受的负荷可能会更低一些。为了减少因不慎摔倒对老年人股骨带来的伤害，采用防护器等物理防护手段减小股骨骨折的发病率是重要的措施之一。为此，本文设计开发了一个能够模拟老年人在摔倒时受力状况的实验装置，并利用此装置，对不同缓冲材料的缓冲性能进行了测试、分析与研究。

本研究中开发的缓冲材料实验装置见图1。其中，固定座、导轨、移动块和传感组件是该实验装置的主要组成部件。两条平行导轨通过固定套与固定座相连，由上固定板与固定套共同保证两导轨间的距离。移动块由活动套、活动座和活动板共同组成，质量为1．437kg，通过活动套在两导轨间滑动可实现移动块的自由落体运动，产生约3 700N的瞬时冲击力。传感器组件由传感器座、压电式力传感器和有机玻璃板组成，通过传感器座固定在固定座上。将缓冲材料放在有机玻璃板上，由移动块做自由落体运动产生的瞬时冲击力作用在缓冲材料上，不同材料对瞬时冲击力的吸收能力不同，进而可以测得它们的缓冲率。

图1 缓冲材料实验装置Fig．1 Structure of the experimental device

1．2 实验系统

图2所示为本研究中所构建的实验系统。主要由自行开发的缓冲材料实验装置、压电式力传感器（CL－YD－301，江苏联能生产）、电荷放大器（YE5850B，江苏联能生产）和示波器组成。实验时，可将移动块移置不同高度后做自由落体运动，产生不同大小的瞬时冲击力，此冲击力直接或经过缓冲材料间接作用在压电传感器上，引起电荷量的变化，并通过电荷放大器放大后输出电压信号，再由示波器采集输出的波形。

图2 实验系统实物图Fig．2 Picture of the measuring system

2 实验方法与材料

2．1 实验方法

本文首先定义了材料缓冲率的计算公式，用于评价不同缓冲材料对瞬时冲击力的吸收能力。其公式如下：

老年人在摔倒时，股骨外侧皮肤会吸收部分瞬时冲击力。因此，实验前在有机玻璃板上加一层厚度为5mm的软硅胶材料用于模拟人体的皮肤。由于在不加其它缓冲材料时，测得移动块在不同高度上自由下落时瞬时冲击力的作用时间约为0．001s，因此可计算出不同高度下的瞬时冲击力的大小。

在本研究中移动块高度分别设置在100、200、300、340mm等不同情况下进行实验，此时瞬时冲击力分别为2 012、2 845、3 485N和3 710N。其中，移动块在340mm的高度自由下落时产生的瞬时冲击力与老年人自然摔倒时股骨处承受的冲击力近似。

实验时，将移动块放在相同的高度上落下，分别测量加缓冲材料与不加缓冲材料两种情况下传递到压电传感器上的冲击力的大小，由此可计算出各种缓冲材料的缓冲率，进而可对比它们对瞬时冲击力的吸收能力。实验方法见图2。

本研究中，选用了市场上销售的不同密度和硬度的海绵材料、各种防护器中的防护垫等作为实验材料，并将各海绵材料制成面积为100mm×100 mm、厚度为10mm的样件。同时，为了测量不同厚度下海绵材料缓冲率的变化，还分别对1层 （10 mm）、2层 （20mm）、3层 （30mm）的各种海绵材料及不同种类的海绵的组合进行了实验。每个实验反复做5次，取其平均缓冲率。

因不同温度和湿度会影响实验系统的精度和实验材料的性能，本研究在相同的温度及湿度下对各种缓冲材料进行了实验。

2．2 实验材料

本实验中选用了由广州市花都区恒业家具材料厂生产的几种海绵材料作为实验用缓冲材料，同时也选用了市场上可购买的海绵防护器及毛毡防护垫等作为对比实验材料，各种材料的基本性能指标见表1。由于购买的海绵防护器并未标明性能指标，因此只对其密度进行了测试。

表1 各种海绵材料的性能指标Table 1 Basic performance parameters of sponges

3 实验结果及分析

3．1 1层缓冲材料的实验结果

表2所示为在不同瞬时冲击力作用下，各种缓冲材料1层 （10mm）时的缓冲率，图3为各种缓冲材料的缓冲率变化趋势曲线。以上实验结果显示出对于同一种材料，在不同的瞬时冲击力作用下，缓冲率大致呈下降趋势。而不同硬度及弹性的缓冲材料，随着瞬时冲击力的增大，其缓冲率的衰减程度各不相同，其中海绵35中软机和毛毡防护器的衰减速度最快，海绵33A和B30机次之，而海绵50特硬机粗、60特硬机和海绵防护器衰减程度相对较平缓。这是由于随着瞬时冲击力的增大，质地较软的缓冲材料如35中软机 （以下称之为软质材料）将被瞬间压实，失去了弹性，不能再发生更大的形变，只能吸收一定的能量，而瞬时冲击力产生的能量却不断增大，传递给压力传感器的能量也不断增大，从而导致缓冲率下降较快，并且大致呈线性下降；而硬度较大的缓冲材料如海绵50特硬机粗、60特硬机 （以下称之为硬质材料）虽然在较大的冲击力作用下也将其压实，导致缓冲率下降，但它们的硬度相对较大，在瞬时冲击力将它们压实的过程中速度较慢，进而可吸收的能量较多、承受的瞬时冲击力较大。这样，使得硬质材料的缓冲率下降较慢。

表2 1层缓冲材料的缓冲率Table 2 Buffer rates of the materials with thickness 10mm／%

当移动块的高度为100mm，瞬时冲击力2 012N时，海绵B30的缓冲率最高 （91．10%），在全部材料中表现出了最好的力学缓冲性能。而当移动块的高度为340mm，瞬时冲击力为3 700N时，海绵B30的缓冲率则明显低于海绵50特硬机粗和60特硬机。这是因为当作用于海绵材料上的瞬时冲击力较小时，硬度相对适中的B30发生较大的形变量，吸收的能量相对较多；而硬度相对较小的海绵35中软机和33A等材料在较短时间内被压实，吸收能量较少；另一方面，硬度相对较大的海绵50特硬机粗和60特硬机发生的形变量又相对较小，因而所吸收能量也较少。这样，硬度较低与较高的材料均表现出较低的缓冲率。但随着瞬时冲击力的增大，在瞬时冲击力将海绵材料压实的过程中，硬质海绵压实的速度慢能够吸收较多的能量。B30的硬度低于海绵50特硬机粗和60特硬机，自然它的缓冲率要低于硬质海绵材料。

图3 1层缓冲材料的缓冲率变化趋势曲线Fig．3 Changing trends of materials buffer rates with thickness 10mm

从表2中各材料的缓冲率还可知，在移动块高度为340mm，即瞬时冲击力为3 700N时，海绵50特硬机粗和60特硬机的缓冲率最高，可达＞78%，而本研究中作为对比材料在市场上购买的海绵防护器为73%，毛毡防护垫的缓冲性能最差。可见，市场销售的两种防护器的缓冲性能并不是最优的。

图4和图5作为检测实例展示了瞬时冲击力大约为3 700N时对单层海绵35中软机和50特硬机粗进行实验而得到的瞬时冲击力波形。由图可见，不同的缓冲材料，其缓冲效果大不相同。

3．2 2层缓冲材料的实验结果

由于1层缓冲材料在瞬时冲击力增大时均出现了瞬间压实的现象，导致了在最大瞬时冲击力3 700N时的缓冲率为最低。为得到更高的材料缓冲率，并考察材料缓冲率与材料厚度之间的关系，又对厚度为2层 （20mm）时的各种缓冲材料进行了实验研究。表3所示的是在不同瞬时冲击力作用下，各种缓冲材料的缓冲率实验结果。图6所示为缓冲率的变化趋势。

表3 2层缓冲材料的缓冲率Table 3 Buffer rates of the materials with thickness 20mm／%

将表2和表3中各缓冲材料的缓冲率进行对比可知，在移动块高度为340mm时，2层各缓冲材料的缓冲率均有显著提高。这是由于在相同瞬时冲击力作用下，2层海绵材料较1层海绵材料可发生更大的形变量，吸收更多的冲击能量，因而使材料的缓冲率增大。例如，1层时50特硬机粗在冲击力3 700N作用下的缓冲率为78．92%，而同样条件下2层时为90．49%，增加率为14．7%，表现出了对瞬时冲击力较好的吸收能力。可见材料的厚度是影响缓冲率的重要因素之一。

图6 2层缓冲材料的缓冲率变化趋势曲线Fig．6 Changing trends of materials buffer rates with thickness 20mm

由图6可见，随着瞬时冲击力的增大各种材料的缓冲率还是出现下降的趋势，且在冲击力为最大值3 700N时的缓冲率为最小。其中海绵33A与35中软机近似于线性下降，这是因为2层的海绵材料虽然比1层海绵材料发生形变量较大，但较大的冲击力仍将硬度较小的海绵材料压实，使其失去弹性，导致缓冲率呈线性下降。海绵B30、50特硬机粗和60特硬机均呈现了先上升后下降的趋势，这是由于硬度相对较大的缓冲材料在较小的瞬时冲击力作用下，发生的形变量小，吸收的能量较少，使其缓冲率较低；而随着瞬时冲击力的增大，发生的形变量增大，吸收的能量增多，缓冲率升高；但当瞬时冲击力增加到一定程度后，硬度较大的材料也将被压实，导致缓冲率降低。因而这些硬度较大的材料呈现出了先上升后下降的趋势。

此外，在3 700N瞬时冲击力时，2层海绵50特硬机粗的缓冲率依然高于其他缓冲材料。

3．3 3层缓冲材料的实验结果

为了进一步确认缓冲材料的缓冲率随厚度的变化趋势，又进行了3层 （30mm）缓冲材料的实验。表4所示的是不同瞬时冲击力作用下厚度为3层的各种缓冲材料的缓冲率。图7所示为材料缓冲率的变化趋势。

与图3、图6不同，图7中除软质海绵35中软机的缓冲率随瞬时冲击力的增大出现了明显的下降外，其余材料的缓冲率均呈平稳变化，其中海绵B30、50特硬机粗和60特硬机表现出了很高的缓冲率，尤其在3 700N瞬时冲击力时均取得了＞92%的缓冲性能。说明当选用合适的材料厚度时，如3层总厚度为30mm，在瞬时冲击力的作用下，材料可发生较大的形变，而且形变的过程相对较慢，这样材料就有足够的时间吸收能量。但是，材料的硬度仍然有较大的影响。同样是30mm的厚度，35中软机材料依然出现了缓冲率随冲击力增大而近似于线性下降的趋势，而且在3 700N瞬时冲击力时与其他硬度的材料相比吸收能力相差很大。可见，材料的硬度和厚度是决定材料缓冲性能的关键因素。

表4 3层缓冲材料的缓冲率Table 4 Buffer rates of the materials with thickness 30mm／%

图7 3层缓冲材料的缓冲率变化趋势曲线Fig．7 Changing trends of materials buffer rates with thickness 30mm

图8和图9为35中软机和50特硬机粗在不同厚度下的缓冲率变化趋势曲线。从图中可以看出随着厚度的增加，缓冲率呈增加的趋势。但是，同样也可以发现，软质海绵材料的增加幅度较大，而硬质海绵材料在厚度为20mm和30mm时的增加幅度不大。说明随着厚度增加，材料的缓冲率对材料厚度的依存性变小。从表4中还可以看到，海绵B30、50特硬机粗和60特硬机在一个相对较宽的冲击力范围内都可以得到一个较高的材料缓冲率，这对选择作为老年人股骨防护的缓冲材料或其他运动防护材料等是十分有利的。

3．4 组合缓冲材料的实验结果

由前述的实验结果已经得到了明确的结论，材料的硬度不同、厚度不同，在不同的冲击力下材料的缓冲率大不相同。但前面的实验主要集中同一种材料的缓冲性能实验上。为了考察不同材料组合后的缓冲性能，找到最适宜做老年人股骨防护用的缓冲材料，本文还对不同硬度的缓冲材料进行组合，开展了厚度为2层和3层的材料缓冲率实验。

实验中采用35中软机、B30机、50特硬机粗和60特硬机这几种材料组合，分别是1层50特硬机粗与60特硬机组合，2层50特硬机粗与35中软机组合，2层50特硬机粗与B30机组合，2层50特硬机粗与60特硬机组合。实验结果表明，不管是2层还是3层，不管是相对质软的材料在上层、还是相对质软的材料在下层，组合材料均没有表现出比单种材料更高的材料缓冲率。说明在现有材料厚度、硬度、组合的条件下，组合材料对瞬时冲击力的吸收效果并不高于单种材料。

4 结 论

从以上的实验研究中，可得出如下结论：

1）设计开发的缓冲材料实验装置，能够模拟老年人摔倒时的受力状态，能够有效地完成各种材料的缓冲性能实验。

2）材料的硬度是影响材料缓冲性能的关键因素之一。在相同厚度下软质缓冲材料在较小的瞬时冲击力作用下表现出较好的力学性能，但随着瞬时冲击力增大，吸收能力下降，缓冲率降低。而硬质缓冲材料在较大的瞬时冲击力作用下，发生的形变量大，对瞬时冲击力的吸收效果相对较好。

3）当材料的厚度较小时，如1层 （10mm），材料的缓冲率对材料的硬度和瞬时冲击力的大小很敏感，同种材料中瞬时冲击力的变化或不同种材料间硬度的变化，都会带来材料缓冲率的较大变化。而另一方面，当材料的厚度较大时，如3层 （30 mm），材料的缓冲率对材料的硬度和瞬时冲击力的敏感性变小，同种材料中较大的瞬时冲击力范围或不同种材料中一定的硬度范围，都可以得到较高的材料缓冲率，这对选择作为老年人股骨防护用的缓冲材料或其他运动防护材料等是十分有利的。

4）实验结果表明，厚度为3层 （30mm）时的材料缓冲率高于2层和1层，这为选择老年人股骨防护器材料的厚度提供了实验依据。考虑到随着厚度增加材料的缓冲率对材料厚度的依存性变小以及由于太厚的股骨防护器将会影响穿戴甚至影响正常的行走，因此本研究没有对材料厚度＞30mm的情况做深入研究。

5）今后，还将对股骨防护器的最佳形状设计与防护器在瞬时冲击力作用下位移变化对缓冲性能的影响进行更深入的探讨，为老年人股骨的防护与防护器的开发提供更充分的依据。

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