混合聚合物基复合材料(HPMC)磨损行为的最优工艺参数建模与预测实验研究

本研究针对工程应用中聚合物复合材料磨损性能优化难题，通过真空袋成型技术制备Kevlar纤维/碳纤维/陶瓷纳米颗粒增强的环氧基HPMC，采用Box-Behnken实验设计和响应面法(RSM)系统分析了载荷(45 N)、滑动速度(900 m/s)、滑动距离(15 m)和碳纤维含量(15%)等参数对磨损率(降低35%)和摩擦系数的影响，为船舶壳体、汽车部件等耐磨损结构材料开发提供理论依据。

　　

在工程材料领域，聚合物基复合材料(HPMC)因其轻量化、高强度特性被广泛应用于汽车、航空航天等领域。然而，传统聚合物存在刚度不足、磨损率高等缺陷，特别是在高载荷滑动工况下，材料磨损导致的性能退化成为制约其工程应用的瓶颈问题。尽管已有研究尝试通过添加碳纤维或陶瓷颗粒改善性能，但关于多组分HPMC的磨损行为与工艺参数的系统性优化研究仍存在空白。

为攻克这一难题，来自国内的研究团队在《Results in Engineering》发表了创新性研究。该工作通过将Kevlar纤维、碳纤维与陶瓷纳米颗粒协同嵌入环氧树脂基质，开发出具有优异耐磨特性的新型HPMC。研究采用真空袋成型技术(Vacuum Bag Molding)确保纤维均匀分布，通过四因素三水平Box-Behnken实验设计，结合响应面法(RSM)和方差分析(ANOVA)，建立了磨损率与载荷、滑动速度等参数的定量关系模型。

关键技术方法包括：1) 真空袋成型法制备CKCKC(碳纤维-凯夫拉交替铺层)结构HPMC；2) 基于ASTM G99标准的针-盘式磨损测试；3) 采用L30正交阵列的Taguchi实验设计；4) 扫描电镜(SEM)表征磨损形貌；5) 基于Archimedes原理的密度测量。

研究结果部分：

1. 实验设置：制备了碳纤维含量5%-15%的HPMC试样，通过真空袋成型在30°C/2 bar条件下固化24小时。
2. 参数优化：ANOVA显示载荷对磨损率影响最显著(F值=388.31)，最优参数组合为15%碳纤维、45 N载荷、900 m/s速度时磨损率最低(4.386×10^-6 mm³/Nm)。
3. 微观机制：SEM显示15%碳纤维样品表面形成致密保护层，纤维-基体界面结合良好，相比未改性复合材料磨损率降低35%。

讨论与结论指出，该研究首次建立了HPMC磨损行为的定量预测模型(R²=98.58%)，证实增加碳纤维含量可显著提升复合材料硬度与界面结合强度。特别值得注意的是，当层压板厚度增加时，磨损性能呈现非线性提升，这为设计船舶壳体等大尺寸耐磨部件提供了新思路。研究提出的真空袋成型工艺突破了传统多纤维复合材料制备的技术瓶颈，其优化的材料体系在保持环氧树脂加工便利性的同时，使比磨损率降至5×10^-6 mm³/Nm量级，为工程耐磨材料开发树立了新标准。

未来研究可结合原位摩擦学测试技术，实时观察不同滑动阶段的界面演变过程。该成果不仅为HPMC在极端工况下的应用提供了数据支撑，其采用的RSM优化方法也为其他复合材料体系的性能预测提供了可借鉴的研究范式。