基于田口法优化搅拌铸造竹叶茎灰增强铝基复合材料的冲击韧性研究

推荐：为解决汽车轻量化结构中铝基复合材料(MMCs)冲击韧性不足的问题，研究人员采用田口法L27正交阵列优化Al6061/竹叶茎灰(BLSA)复合材料的搅拌铸造参数（转速500 rpm、时间5 min、3叶片、5.0 wt% BLSA），使冲击吸收能提升至14.82 J。该研究为生物质增强金属复合材料在碰撞安全部件的应用提供了工艺优化范式。

　　

随着全球汽车工业对轻量化与碰撞安全需求的提升，铝基复合材料（Metal Matrix Composites, MMCs）因其优异的比强度和能量吸收特性成为研究热点。然而，传统MMCs中陶瓷增强体的高成本、高密度以及冲击韧性不足的问题，制约了其在保险杠、车身框架等关键部件的应用。与此同时，每年全球产生超过10万吨竹材加工废弃物，其灰分富含SiO₂、MgO等活性成分，或可成为兼具环保性与力学性能的理想增强材料。但现有研究多聚焦于竹叶灰（Bamboo Leaf Ash, BLA）的摩擦学性能，对竹叶茎灰（Bamboo Leaf Stem Ash, BLSA）在冲击载荷下的行为及工艺优化仍存在显著空白。

针对这一挑战，埃塞俄比亚国防大学研究与发展学院军备与高能材料中心（Center of Armament and High Energy Materials, Ethiopian Defence University）的Dagim Asegid Tirfe团队在《Next Materials》发表研究，通过田口法系统优化搅拌铸造工艺参数，成功开发出高冲击韧性的Al6061/BLSA复合材料。

研究采用四项关键技术：1）BLSA预处理（650°C煅烧+60 μm筛分）；2）三因素三水平L27正交实验设计（转速250-750 rpm、时间5-15 min、叶片数2-4）；3）基于Arduino控制的精密搅拌铸造系统；4）ASTM E-23标准夏比冲击测试。通过方差分析（ANOVA）和多元线性回归模型，量化了工艺参数对性能的影响规律。

3.1 物理性能分析

研究发现BLSA的加入使复合材料理论密度从2.72 g/cm³（2.5 wt%）降至2.68 g/cm³（7.5 wt%），但实验密度受搅拌参数显著影响。500 rpm转速配合三叶片时获得最低孔隙率（2.6%），证实适度涡流可改善颗粒分散性，而过高转速（750 rpm）会因湍流导致气孔率上升。

3.2 冲击韧性表现

最优参数组合（500 rpm/5 min/3叶片/5.0 wt%）下冲击能量达14.82 J，较基准值提升79.6%。ANOVA显示转速贡献度最高（54.67%），其次为叶片数（31.24%），而搅拌时间影响最小（2.72%）。超过5.0 wt% BLSA会导致颗粒团聚，引发脆性断裂。

3.3 回归模型验证

建立的预测方程误差仅5.472%，证实转速与叶片数的协同效应：三叶片在500 rpm时形成稳定涡流，使BLSA颗粒与Al6061基体产生强界面结合，而四叶片会破坏熔体稳定性。

该研究首次阐明BLSA作为可持续增强体的工艺-性能关系，为开发生物基高韧性MMCs提供了量化依据。其成果不仅适用于汽车吸能部件，对航空、军工领域的轻量化防护材料开发也具有启示意义。通过将农业废弃物转化为高附加值材料，这项研究同时推动了循环经济与低碳制造的技术革新。