基于TOPSIS方法的化学处理PALF复合材料性能评估及其用于轻量型无人机的钻孔分层问题研究

《ACS Omega》：TOPSIS-Based Performance and Drilling Delamination Assessment of Chemically Treated PALF Composites for Lightweight UAVs

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本研究调查了经过化学处理的菠萝叶纤维（PALF）垫基环氧复合材料的性能，以评估其在轻量型无人机（UAV）中的潜在应用。在制造前，PALF垫用NaOH处理以增强纤维与基体的粘附力。结果表明，这种复合材料的机械性能有了显著提升，最大抗拉强度达到25.82 MPa，弹性模量为3938 MPa。弯曲试验显示峰值应力为21.47 MPa，弹性模量为2418 MPa，表明经过12%的碱处理后强度提高了约30%。在不同的参数条件下进行了钻孔实验，并评估了分层因素以评估材料的耐损伤能力。定量分析表明，在2142 rpm、50 mm/rev的进给速度和8 mm钻头直径下，经过12% NaOH处理的复合材料表现出最佳的钻孔性能。方差分析（ANOVA）表明，钻头直径和切割速度是影响分层和表面质量的主要因素。此外，还应用了基于理想解相似性的排序偏好技术作为多标准决策工具，以优化钻孔参数并最小化分层现象。研究结果表明，经过适当处理的PALF复合材料结合了优异的机械性能和良好的耐损伤能力，显示出其在轻量型无人机结构应用中的潜力。

1. 引言
无人机（UAV），通常称为无人机，是一种无需人类飞行员操作的飞行器。它们可以由操作员远程控制，或使用机载系统和预设的飞行路径自主飞行。现代技术，包括软件和蓝牙，借助传感器和全球定位系统（GPS）来控制无人机。(1) 无人机的应用非常广泛，涉及多个行业。它们被用于紧急响应、勘测、航空摄影和基础设施评估。(2) 由于具有适应性和能够到达偏远或危险地点的能力，无人机在农业、执法、交通监控和环境保护方面也非常有用。(3,4) 与有人驾驶的飞机相比，无人机是一种更具成本效益的选择，可以执行重要任务而不会危及人员安全。无人机的远程控制通常通过地面基站发送的信号实现，从而实现精确的指导和操作。(5) 现代无人机采用轻质复合材料制造，如碳纤维、芳纶和天然纤维增强聚合物复合材料，以减轻重量同时保持结构完整性。增材制造技术越来越被用于无人机部件的快速原型制作和制造，允许实现复杂的几何形状、节省成本并加快开发周期。这些制造技术的进步使无人机能够延长飞行时间、提高载荷能力和耐用性，从而扩展了其在关键工业和研究应用中的使用范围。为了逐步取代合成纤维复合材料，研究人员一直在积极研究天然纤维，以提高其潜力以满足预期用途。(6,7) 与动物纤维和矿物纤维相比，植物纤维因其经济性、可用性和足够的强度而成为可行的替代品。麻纤维、叶纤维、果纤维、种子纤维和茎纤维是植物纤维的五大主要来源。(8) 由于菠萝叶纤维（PALF）和肯纳夫纤维具有较高的抗拉强度，因此被选为分析对象。(9,10) 这些生物复合材料可以自然降解，使得受损的框架可以通过简单掩埋进行处理。根据苏丹教授的研究，PALF无人机可以飞行约1000米，并在空中停留20分钟，与其他许多无人机类似。(11) 尽管天然纤维具有强度和其他优点，但它们与聚合物的相容性有限。研究人员研究了表面改性方法，以改善天然纤维/聚合物的相容性，从而提高天然纤维的机械性能和加工后的表面质量。(12,13) 在无人机开发的早期阶段，铝是结构的主要材料选择。然而，随着研究的进展，碳纤维和金属基纳米复合材料等材料因其优异的强度重量比和增强的机械性能而被越来越多地采用。(14,15) 尽管碳纤维具有优势，但也存在一些缺点。如果由碳纤维制成的无人机损坏后随意丢弃在河流或陆地上，可能会对生态系统造成污染。此外，其不可生物降解的特性带来了重大的环境问题。因此，研究人员一直在探索替代材料，天然纤维因其轻质、高比强度和环保特性而成为有前景的选择。由于天然纤维可生物降解，它们在环境中容易分解，从而减少了对环境的影响。最近，使用CAD软件设计了无人机结构，并通过ANSYS进行了结构性能评估。分析后，使用肯纳夫和菠萝叶纤维（PALF）复合材料制造了无人机框架，展示了它们作为传统材料的可持续替代品的潜力。(9) 在制造无人机机体时，使用了玻璃纤维和萨拉戈纤维，观察到萨拉戈纤维具有一些重要特性，包括更高的热变形温度，这有助于提高其可持续性能。(16) 除了选择天然纤维外，先进的制造工艺也有助于提高无人机结构的质量，例如微波固化、高压釜技术、热压等。(17) 真空袋装技术主要用于制造强度高、重量轻且无空洞的复合部件，尤其在航空航天行业中。真空袋装工艺包括将纤维增强材料和树脂放入密封袋或模具中，然后使用真空泵抽出空气，以确保在固化过程中施加均匀的压力。通过大气压实现固化，从而去除夹带的空气并对层压材料上的密封塑料膜施加均匀的压力，从而提高压实度和整体固化质量。(18?20) 图1展示了制造无人机时真空袋装的六个主要步骤。真空袋装工艺的第三步是首先滚动湿润的铺层材料以排出所有被困的空气，然后进行二次真空固化。

图1
图1. 通过真空袋装模具制造无人机的步骤序列。

在材料选择过程中使用了多标准决策过程来评估机械性能、成本、环境影响和导热性。TOPSIS方法根据各种材料组合在选定标准下的表现对其进行排序，而CRITIC技术则评估每个标准的相对重要性。(21,22) 在钻孔操作中，尽管单目标优化被广泛使用，但它有一个主要限制：它只确定一个特定响应的最佳切割参数，而忽略了其他重要目标。相比之下，多目标优化同时考虑所有关键目标，确定平衡多个性能标准的最佳输入参数组合。(23) 在航空航天工业中广泛使用的玻璃纤维增强复合材料上进行了实验。对复合材料结构进行了钻孔操作，并采用TOPSIS方法优化性能指标并在钻孔过程中最小化孔质量缺陷。(24) 文献显示，关于无人机结构钻孔的研究较少，基于天然纤维的复合材料在无人机应用中的研究也不充分。因此，基于PALF的复合材料在无人机中具有潜在的应用价值。为解决这一空白，本研究调查了PALF复合材料的分层行为和机械性能。此外，还研究了影响PALF复合材料性能的各种输入参数，并对这些参数进行了优化。

2. 材料与方法
2.1. 材料
菠萝叶纤维垫来自海得拉巴的Viruska复合材料公司。环氧树脂和固化剂从德里的COSMITIKA聚合物公司购买。

2.2. PALF垫的化学处理
将原始的PALF纤维垫浸泡在含有NaOH溶液的桶中约6小时，以确保充分处理。分别使用12%和18%的NaOH溶液进行了两次处理，以制备不同类型的PALF垫。处理后，用蒸馏水彻底冲洗垫料，并用热风烤箱烘烤5小时。通过试纸检测pH值确认处理完成。最后，根据ASTM测试样品标准将处理后的垫料裁剪成所需尺寸。

2.3. PALF增强环氧复合材料的制造
选择真空袋装工艺来制造基于环氧树脂的复合材料，因为它具有优良的特性。这种方法在天然纤维复合材料领域相对较新，但由于其高效的制造能力和保持复合材料所需性能的能力而受到青睐。首先将处理过的PALF垫放入模具中，然后倒入环氧树脂，接着放置另一层垫料。重复这一过程直到达到所需的厚度。本项目使用了一种来自印度诺伊达STAR DRONE公司的商用无人机模具（图2），该模具专门用于本研究。图3展示了使用真空袋装技术制造天然纤维聚合物复合材料的步骤。

图2
图2. 用于制造无人机结构的模具。

2.4. 机械测试
复合材料制造完成后，根据ASTM标准（特别是ASTM D638和ASTM D790）准备了测试样品。使用来自德国的TRUMET测试机器进行了拉伸和弯曲测试，该机器的最大承载能力为50 kN。每个复合材料样品每种组合测试三次，以确保重复性。最终复合材料的强度报告为拉伸和弯曲测试所得的平均值。

2.5. 钻孔质量的参数优化
2.5.1. 表面粗糙度
表面粗糙度是广泛认可的机械部件质量指标，通常被规定为技术要求。即使在达到预期表面处理后，部件的性能也会受到其表面质量的影响。本研究中使用表面粗糙度测试仪评估受分层因素影响的孔的表面特性。进行钻孔操作以估算VB,max和Ra的值。为了确保结果的准确性，每个孔测试了四次。表面粗糙度测量在温度控制的房间内进行，所有参数均遵循ISO 4278标准。使用高精度的Zeiss Surfcom Touch 50表面粗糙度测试仪进行测量，该测试仪的最小分辨率为0.001 μm，操作速度范围为0.15–0.30 mm/s。

2.5.2. 分层因素
在钻孔过程中，PALF–聚合物复合材料（PFRPC）会发生分层现象。裂纹和材料分离通常出现在钻孔的入口和出口处。结构显示两个直径：Do代表预期的孔径，Dmax表示发生断裂的最大直径。因此，分层因素定义为Fd = Dmax/Do。在PFRPC钻孔过程中均匀受损的情况下，受分层影响的区域和临界条件如图4所示。

图4
图4. PFRPC孔中分层现象的示意图。

钻孔实验使用了CNC路由器机器（Kuvam Technologies, India）进行，如图5所示。通过数字显微镜测量钻孔直径，并使用ImageJ软件分析捕获的图像。研究在三种不同条件下对PALF–环氧复合材料进行了测试：改变钻头直径（4、6和8 mm）、主轴转速（2142、4284和6426 rpm）以及进给速度（50、100和150 mm/rev）。分层因素反映了纤维断裂和基体-纤维相互作用等现象。通常在钻孔的入口和出口处进行测量。（25）损坏的程度，由分层面积表示，反映了钻孔的质量，并可能导致在组装过程中结构安装组件时发生故障。在这项研究中，对两种不同化学处理程度的复合材料进行了钻孔实验，具体来说，化学处理程度分别为12%和18%。图5：PALF-环氧复合材料的钻孔装置。高分辨率图像。下载MS PowerPoint幻灯片。

3. 结果与讨论
3.1. 抗拉性能
不同浓度NaOH（12%和18%）处理过的复合材料的抗拉强度如图6所示。用12% NaOH溶液处理的样品表现出最高的抗拉强度，为25.382 MPa，同时其抗拉模量为3923 MPa。相比之下，用18% NaOH溶液处理的样品最大抗拉强度为21.47 MPa，抗拉模量为2418 MPa。这些结果表明，经过12% NaOH处理的复合材料具有比18%处理的样品更好的抗拉性能。显然，化学处理的浓度在决定复合材料强度方面起着重要作用。（26）观察到较高的化学处理浓度会导致一些纤维损伤，从而导致纤维与基体之间的界面结合不良。（27）因此，复合材料的整体强度也会降低。（28）用NaOH处理的壳层和黄麻纤维增强树脂基体后，复合材料的机械性能得到改善。（29）评估了桦木、棕榈和桉木纤维与环氧树脂结合后的机械性能，发现通过漂白进行化学处理显著提高了性能。（30）

图6：12%和18% NaOH处理的PALF-环氧复合材料的抗拉强度和模量。高分辨率图像。下载MS PowerPoint幻灯片。

3.2. 弯曲性能
弯曲测试，特别是三点弯曲测试，对于评估复合材料的弯曲强度至关重要。这种测试对于层压复合材料尤为重要，因为弯曲应力下的弯曲失效、开裂或断裂是它们最常见的失效模式之一。（31）从图7可以看出，用不同浓度NaOH处理的PALF基环氧复合材料的结果清楚地展示了化学处理对其机械性能的影响。用12% NaOH处理的复合材料表现出59.4 MPa的弯曲强度和2107 MPa的弯曲模量，表明其具有更好的抗弯能力和更高的刚性。而用18% NaOH处理的复合材料则表现出较低的弯曲强度和2111 MPa的弯曲模量，表明其性能较差。这些结果表明，在12% NaOH处理下可以获得最佳的弯曲性能。较高浓度的化学处理似乎会损害复合材料的结构完整性。（28）因此，用NaOH处理的壳层和黄麻纤维增强树脂基体后的复合材料具有更高的弯曲强度和更大的弯曲模量，使其更适合需要承受弯曲载荷的应用。

图7：12%和18% NaOH处理的PALF-环氧复合材料的弯曲强度和模量。高分辨率图像。下载MS PowerPoint幻灯片。

3.3. 实验方案
在本研究中，采用了田口方法来确定工艺参数的最佳组合。这种方法涉及计算每个实验的信噪比，以评估各个变量对结果的影响。在分析信噪比时，考虑了三个主要的质量特征组：（i）“越高越好”，（ii）“名义值最好”，以及（iii）“越低越好”。本研究中选择了三个参数：钻速、进给速度和钻头直径作为实验变量。NFRPC的表面粗糙度和分层因子作为响应变量，其值是根据“越低越好”的标准计算的。使用MINITAB 22软件分析了所有试验，并使用公式（1）计算了信噪比。

3.3.1. 工艺参数
聚合物复合材料的分层因子受多种因素的直接影响或间接影响。研究发现，主轴转速、进给速度和钻头直径显著影响复合材料的分层因子。在本研究中，这三个参数被选择在适当的水平上。设计了一个L27正交阵列，其中进给速度和钻头直径各有两个水平，主轴转速有一个水平。进行了多次实验以确定工艺参数的最佳配置。
聚合物复合材料钻孔中的分层因子主要受主轴转速、进给速度和钻头直径的影响。这些参数在确定钻孔的结构完整性和质量方面起着关键作用，因为分层会显著影响复合材料组件的可靠性。为了全面分析这些效应，构建了一个L27正交阵列，每个参数分别设置三个水平。表1列出了钻孔过程中分层因子的工艺参数。

3.4. 分层和表面粗糙度的评估
为了监测分层因子的发展，对PALF-环氧复合材料进行了钻孔后的评估。实验研究基于全因子设计，包含三个参数的27次试验。研究结果表明，尤其是钻孔周围的分层损伤显著导致了组装组件的失效。在钻孔过程中，裂缝可能会扩展，可能导致结构失效。进一步观察到，纤维从孔表面拔出，特别是在出口处，是钻孔失效的主要原因。（32）图8显示了在不同工艺参数和钻头直径下的钻孔模式：（A）用12% NaOH溶液处理的复合材料；（B）用18% NaOH溶液处理的复合材料。尽管两种复合材料结构使用了相同的参数，但孔的形成过程有所不同。图9显示了在4284 rpm主轴转速、8 mm钻头直径和50 mm/rev进给速度条件下钻孔后的PALF-环氧复合材料的分层损伤情况。

结果进一步表明，通过选择最佳的钻孔参数和适当的钻头几何形状，可以最小化天然纤维复合材料钻孔中的分层损伤。（33）复合材料的加工条件也对钻孔的顺利进行起着重要作用。（34）图10中的SEM显微图显示了复合材料钻孔过程中的纤维拔出情况。图10a显示了具有光滑边缘的微观结构，以及纤维拔出、纤维位移、未切割纤维和纤维分布不均等缺陷。未切割纤维可能是由于纤维的延展性，而纤维拔出是由于纤维与基体之间的界面结合较弱造成的。（35）图10b–d显示了纤维拔出的放大视图。可以清楚地看到纤维从复合材料表面被拔出，这有助于裂缝的扩展。推力在影响孔形成行为方面也起着重要作用。（36）这种类型的分层主要是由纤维-基体脱粘引起的，导致纤维被推出并在钻孔表面形成纤维团簇。（36,37）选择合适的钻孔工具对于减少分层非常重要。（38）

表面质量是钻孔质量的一个重要指标。计算评估轮廓的算术平均偏差（Ra）在制造应用中被广泛使用。因此，本研究中选择了Ra作为评估指标。Ra可以使用以下公式计算：
Ra = 1/L ∫_0^L Z(x) dx
其中L是用于测量的采样长度，Z是钻孔表面轮廓曲线的纵坐标。使用MarSurf VD140轮廓仪（截止长度为0.8 mm）来评估钻孔表面的粗糙度。在每个孔的表面四个不同位置进行了测量。（39）对基于HDPE基体的木纤维复合材料使用两种类型的钻头进行了表面粗糙度测试：一种是带有TiN涂层的HSS钻头（工具1），另一种是没有TiN涂层的HSS钻头（工具2）。研究发现，使用未涂层的钻头时Ra值更高。（40）对木纤维-HDPE复合材料的钻孔测试显示，未涂层HSS钻头的表面粗糙度更高，这证实了TiN涂层可以改善表面质量。相比之下，Enset- sisal混合聚酯复合材料，尤其是单向样品，在相同条件下表现出更好的表面质量和最少的分层。应用选择应符合耐损伤性和表面要求。

3.5. 钻孔参数的方差分析（ANOVA）
使用分层因子（Fd）和表面粗糙度（Ra）对各种样品进行了方差分析（ANOVA），以评估铣刀转速、进给速度和钻头直径的影响。在检查ANOVA结果之前，首先确定了信噪比（S/N）。表2显示了12%和18% NaOH处理的PALF-环氧复合材料的信噪比。

表2. 12%和18% NaOH处理的PALF-环氧复合材料的分层因子和表面粗糙度的正交 arrays
参数 | 分层因子（Fd） | 表面粗糙度（Ra） | S/N ratio
------------------|------------------|--------------|
| |------------------|--------------------|
| 进给速度（rpm） | 12% | 1.30 |
| | 14 | 1.15 |
| | 25 | 1.15 |
| | 40 | 1.30 |
| | 60 | 1.15 |
| | 80 | 1.29 |
| | 100 | 1.17 |
| | 12 | 4.13 |
| | 25 | 2.00 |
| | 50 | 1.29 |
| | | 1.16 |
| | 60 | 1.34 |
| | 80 | 2.13 |
| | 100 | 1.23 |
| | | 1.17 |
| | 12 | 4.13 |
| | 25 | 2.00 |
| | 50 | 1.29 |
| | | 1.16 |
| | 60 | 1.34 |
| | | 1.23 |
| | 80 | 1.12 |
| | | 1.17 |
| | 12 | 3.43 |
| | 25 | 2.00 |
| | 50 | 1.29 |
| | | 1.18 |
| | | 1.98 |
| | 15 | 2.98 |
| | | 2.20 |

表3–6显示了12%和18%处理的PALF-环氧复合材料的分层因子（Fd）和表面粗糙度（Ra）的ANOVA结果。从表3可以看出，钻头直径（P = 0.000, F = 26.65, 贡献 = 38.27%）对结果的影响最大。速度（P = 0.003, 贡献 = 18.53%）也具有高度显著性。此外，速度和钻头直径的交互作用（P = 0.006, 贡献 = 24.46%）也被确定为显著。

表4. 12% NaOH处理的PALF-环氧复合材料的分层因子（Fd）的ANOVA分析
来源 | 自由度 | 平方和 | 偏方和 | 偏方均值 | 贡献百分比 |
------------------|------------------|---------------|---------------|--------------|
| 进给速度（rpm） | 20.10 | 89 | 60.10 | 0.1089 | 20.10 |
| | 14 | 17 | 89 | 0.0544 | 18.53 |
| | 25 | 14 | 17 | 89 | 0.0089 |
| | 40 | 25 | 40 | 0.0089 | 12.91 |
| | 60 | 14 | 25 | 40 | 0.1813 |
| | 80 | 25 | 40 | 0.0062 | 13.06 |
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表5（主效应）显示，单独的因素（速度、进给速度或钻头直径）在统计上并不显著（P > 0.05），每个因素的贡献仅约为2–3%。相比之下，速度 × 进给速度的交互作用非常显著（P = 0.016），占变异的41.52%。速度 × 钻头直径的交互作用也显著（P = 0.033），贡献了31.82%。

表6. 18% NaOH处理的PALF-环氧复合材料表面粗糙度的ANOVA分析
来源 | 自由度 | 平方和 | 偏方和 | 偏方均值 | 贡献百分比 |
------------------|------------------|---------------|---------------|--------------|
| | 进给速度（rpm） | 20.84 | 97 | 0.84 | 0.42 |
| | 15 | 07 | 27 | 0.84 | 0.42 |
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表6显示，18% NaOH处理的PALF-环氧复合材料表面响应的ANOVA分析表明，进给速度和钻头直径是最主要的因素，每个因素的贡献约为33%，且都高度显著（P = 0.001）。相比之下，速度对表面响应没有显著影响（P = 0.931），仅贡献了0.11%的变异。速度 × 进给速度的交互作用显著（P = 0.028），贡献了14.42%。速度 × 钻头直径的交互作用也不显著（P = 0.103），仅贡献了8.21%。表面粗糙度的ANOVA分析（使用18% NaOH溶液处理）

来源 | 自由度 | 方差 | 偏差平方 | 偏差平方调整 | 偏差平方调整均值 | 贡献百分比 |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| 速度（rpm） | 20 | 0.098 | 50.098 | 0.049 | 20.07 | 0.93 |
| 进给速率（mm/rev） | 23 | 0.068 | 130.068 | 115.03 | 42 | 1.90 |
| 钻头直径（mm） | 23 | 0.542 | 230.542 | 215.27 | 11 | 2.24 |
| 速度 × 进给速率 | 47 | 61 | 427.61 | 42 | 1.90 |
| 速度 × 钻头直径 | 41 | 380 | 133.38 | 33.34 | 51 | 0.028 |
| 进给速率 × 钻头直径 | 45 | 569 | 85.569 | 81 | 1.39 |
| 剩余误差 | 85 | 492 | 45.49 | 24 | 0.68 |

**6. 多标准优化（TOPSIS分析）**
TOPSIS方法是一种多标准决策分析方法，它根据备选方案在多个标准上的表现来对其进行排序和选择。其基本概念是选择最接近理想解决方案（代表所有标准下最佳表现）且远离负理想解决方案（代表所有标准下最差表现）的方案。TOPSIS分析按以下步骤进行：

**步骤1**：
首先，开发评估矩阵，称为实验决策矩阵（αij）。在这个矩阵中，每一行（i）和每一列代表一个备选方案（实验编号）和一个标准（响应值）。
例如：
```
α11 α21 αi1... αjn1
α12 α22 αi2... αjn2
α1j α2j αij... αjn
...
αmj α2m αmj...
αn1 αn2 αn
```
对于我们的案例，i是实验数量（即27），j是响应值的数量（即分层因子（Fd）和表面粗糙度（Ra），分别使用不同百分比的NaOH溶液（12%和18%）。表7中提供的实验值用于实验决策矩阵αij的元素，如方程3前所述。

**表7. 输入过程参数及其响应参数**
| 分层因子（Fd） | 表面粗糙度（Ra） |
| --- | --- |
| 12% Fd 14 | 250 | 41.30 | 1.16 | 3.23 | 2.00 |
| 12% Fd 18 | 250 | 61.29 | 1.16 | 3.43 | 2.13 |
| 12% Fd 18 | 250 | 81.23 | 1.16 | 3.24 | 2.65 |
| 12% Fd 18 | 250 | 41.21 | 100 | 4.13 | 2.14 |
| 12% Fd 18 | 250 | 61.28 | 1.13 | 3.98 | 3.02 |
| 18% Fd 18 | 250 | 142 | 22.24 | 0.00 | 13 |
| 18% Fd 18 | 250 | 81.22 | 1.16 | 3.92 | 2.98 |
| 速度 × 进给速率 | 47 | 61 | 427.61 | 42 | 1.90 |
| 速度 × 钻头直径 | 41 | 380 | 133.38 | 33.34 | 51 | 0.028 |
| 进给速率 × 钻头直径 | 45 | 569 | 85.569 | 81 | 1.39 |
| 进给速率 × 钻头直径 | 45 | 569 | 85.569 | 81 | 1.39 | 2.03 |
| 剩余误差 | 85 | 492 | 45.49 | 24 | 0.68 | 5.92 |

**总误差 | 2692.76 | 54 | 100 |

**3. 多标准优化（TOPSIS分析）**
TOPSIS方法是一种多标准决策分析方法，它根据备选方案在多个标准上的表现来对其进行排序和选择。其基本概念是选择最接近理想解决方案（代表所有标准下最佳表现）且远离负理想解决方案（代表所有标准下最差表现）的方案。TOPSIS分析按以下步骤进行：

**步骤2**：
首先，将评估矩阵标准化，使其范围在0-1之间，以便在共同尺度上标准化测量单位并消除差异。较高的值表示更好的性能。使用方程4获得标准化矩阵αij，所有值列在表8和表9中。

**表8. 12% NaOH处理后的PALF–Epoxy复合材料的Fd和Ra响应的标准化权重值**
| 实验编号 | Fd | Ra |
| --- | --- |
| 1 | 1.02 | 0.16 |
| 2 | 0.11 | 0.07 |
| 3 | 0.19 | 0.15 |
| 4 | 0.19 | 0.11 |
| 5 | 0.16 | 0.07 |
| 6 | 0.18 | 0.18 |
| 7 | 0.20 | 0.11 |
| 8 | 0.19 | 0.22 |
| 9 | 0.19 | 0.11 |
| 10 | 0.19 | 0.15 |
| ... | ... | ... |
| 27 | 0.19 | 0.19 |

**表9. 18% NaOH处理后的PALF–Epoxy复合材料的Fd和Ra响应的标准化权重值**
| 实验编号 | Fd | Ra |
| --- | --- |
| 1 | 0.20 | 0.16 |
| 2 | 0.11 | 0.07 |
| 3 | 0.19 | 0.15 |
| 4 | 0.19 | 0.11 |
| 5 | 0.19 | 0.16 |
| 6 | 0.19 | 0.11 |
| 7 | 0.19 | 0.16 |
| 8 | 0.19 | 0.11 |
| 9 | 0.19 | 0.15 |
| 10 | 0.19 | 0.11 |
| ... | ... | ... |

**步骤3**：
将每个标准分配一个权重，所有权重的总和等于1。然后，通过将步骤2中的标准化指标与其相应的权重（ωj）相乘来计算加权标准化决策矩阵（xij）。

**步骤4**：
使用方程6和7确定每个标准的理想正面（最佳）xjb和理想负面（最差）xjw备选方案。目的是确定每个指标的最大值和最小值。在所有情况下，当分层因子和表面粗糙度最小时，其表现最佳。

**步骤5**：
使用方程8和9计算目标备选方案与最佳和最差备选方案之间的欧几里得几何距离（dib和diw）。

**步骤6**：
对于每个备选方案，根据表8-10的数据和方程10计算相似性系数（Si），以表示其与理想解决方案的接近程度。

**步骤7**：
最后，根据TOPSIS得分对备选方案进行降序排名。最接近最佳方案的指标将获得最高分数，因此在排名中位置较高。表11显示了基于指定标准的组合排名备选方案。表12显示了分层因子和表面粗糙度的分离度量、相似性系数和信噪比。图11和图12显示了12%和18% NaOH处理后复合材料的相似性系数峰值。

**结论**：
使用真空包装工艺成功制备了PALF–环氧天然纤维聚合物复合材料，并评估了其拉伸、弯曲和冲击性能，以及在不同NaOH浓度化学处理后的分层行为。12% NaOH处理的复合材料表现出更优异的机械性能，达到最高的拉伸强度（25.382 MPa）、拉伸模量（3923 MPa）和弯曲模量（2107 MPa）。ANOVA结果显示，对于12% NaOH处理的复合材料，钻头直径和速度及其交互作用对分层有显著影响；而对于18% NaOH处理的复合材料，切割速度的影响最为显著。TOPSIS优化确定了12% NaOH处理的最佳参数为2142 rpm的速度、50 mm/rev的进给速率和8 mm的钻头直径；对于18% NaOH处理的复合材料，最佳参数为2142 rpm的速度、150 mm/rev的进给速率和8 mm的钻头直径。SEM分析显示了纤维拔出、位错、未切割纤维和纤维分布不均等的情况，证实了界面键合较弱和裂纹扩展路径的存在。