基于PSI-VIKOR与ANN集成的聚酰胺/碳纤维FDM打印复合材料力学性能优化与预测研究

本研究针对FDM打印聚酰胺/碳纤维复合材料力学性能优化难题，采用PSI-VIKOR多准则决策与人工神经网络(ANN)集成方法，系统分析了纤维含量、NaHCO3表面处理及模压压力等关键参数。通过Grey-Taguchi设计优化，发现12.5 wt%香蕉纤维/6% NaHCO3/1 MPa压力组合使拉伸强度达48.44 MPa，弯曲强度78.22 MPa，冲击强度28.35 kJ/m2，为绿色复合材料开发提供新策略。

　　

在追求可持续发展的全球背景下，天然纤维增强复合材料正成为替代合成材料的环保选择。然而，这类材料存在机械性能不稳定、吸水性高以及与基体相容性差等瓶颈问题。香蕉纤维作为农业废弃物衍生的天然纤维，虽具有可再生、低成本优势，但其表面亲水性和界面结合弱化严重制约实际应用。如何通过绿色改性工艺提升其性能，成为当前复合材料领域的研究热点。

针对这一挑战，印度Shwetamber Polymers与当地市场合作的研究团队在《Next Materials》发表创新成果。他们创新性地采用食品级NaHCO₃对香蕉纤维进行表面处理，结合Taguchi实验设计与灰色关联分析(Grey Relational Analysis, GRA)，系统优化了香蕉纤维/聚丙烯(PP)复合材料的制备工艺。研究首次揭示了NaHCO₃浓度与纤维含量、模压压力的协同作用机制，为开发高性能生物基复合材料提供了新思路。

关键技术方法包括：1) 采用L₁₆正交阵列设计三因素四水平实验；2) 通过压缩模塑制备不同纤维含量(5-12.5 wt%)和NaHCO₃处理浓度(0-9%)的复合材料；3) 依据ASTM标准测试力学性能与水吸收率；4) 运用GRA将多目标响应转化为单一灰色关联度(GRG)优化；5) SEM观察界面形貌。

水吸收行为研究发现，BP5复合材料吸水率最低(1.23%)，而BP12.5最高达4.2%，这与纤维羟基含量呈正相关。但经6% NaHCO₃处理后，吸水率显著降低，证实表面改性可有效阻断水分渗透路径。

Taguchi分析显示，12.5 wt%纤维/6% NaHCO₃/1 MPa组合实现最优力学性能。拉伸测试中该组合强度达48.44 MPa，SEM显示纤维-基体界面形成致密"hackle"结构，表明NaHCO₃处理清除了纤维表面木质素和果胶，使纤维素分子链重排形成更强氢键网络。

弯曲性能测试中，最优组合弯曲强度达78.22 MPa。SEM观察到6% NaHCO₃处理的样品纤维分布均匀，而高浓度(9%)处理会导致纤维过度脱木质素化，反使强度下降19%。冲击测试结果进一步验证，适度表面粗糙度可使冲击强度提升至28.35 kJ/m2，但过量处理会破坏纤维完整性。

通过灰色关联分析将多目标优化转化为GRG单指标，最终确定香蕉纤维含量(贡献率48.14%)和NaHCO₃处理(43.14%)为主导因素。该研究不仅建立了可量化的工艺参数-性能关系模型，更开创性地将食品级NaHCO₃应用于纤维改性，避免了传统强碱处理的污染问题。

这项研究的重要意义在于：1) 开发出机械性能媲美工程塑料的完全可降解复合材料；2) 提出的PSI-VIKOR-ANN集成优化方法可推广至其他天然纤维体系；3) 为农业废弃物高值化利用提供技术支撑。研究结果对汽车内饰、包装材料等领域的绿色制造具有重要应用前景，同时为碳中和目标下的材料革新提供了新范式。