《Next Materials》：Automotive brake material selection using various MCDM methods and their comparisons
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本研究提供了一个全面的多准则决策（MCDM）框架，用于选择汽车制动衬片材料，该框架结合了SAW、WPM和TOPSIS进行材料排序，并采用层次分析法（AHP）进行准则加权。研究人员使用了四个关键的力学参数——弹性模量、拉伸强度、压缩强度和断裂韧性——来评估七种潜
本研究提供了一个全面的多准则决策（MCDM）框架，用于选择汽车制动衬片材料，该框架结合了SAW、WPM和TOPSIS进行材料排序，并采用层次分析法（AHP）进行准则加权。研究人员使用了四个关键的力学参数——弹性模量、拉伸强度、压缩强度和断裂韧性——来评估七种潜在的制动衬片材料。根据AHP分析，拉伸强度、弹性模量、压缩强度和断裂韧性是最重要的因素。使用SAW和WPM时，钛金属基复合材料排名第一，而TOPSIS则认为铝基椰壳纤维增强复合材料是最佳替代品。通过Spearman系数进行的秩相关分析确认了决策框架的稳健性，该分析显示所使用的MCDM方法之间存在良好的一致性。为了实验验证决策结果，研究人员构建并测试了含有5 wt%钛和不同SiC含量（3–7 wt%）的环氧基混合复合材料。含有5 wt% Ti和5 wt% SiC的复合材料具有最高的拉伸强度（102.28 MPa）、压缩强度（170.84 MPa）和硬度（35 BHN），所有这些性能相比其他配方提高了约17–45%。为了开发高性能和可持续的复合材料制动衬片材料，这种MCDM-实验结合方法展示了一种创新的、面向应用的方法论，减少了大量试错实验的需求。
**论文解读文章**
**研究背景与问题**
汽车制动衬片是制动系统的关键部件，其材料选择直接影响制动性能、安全性和耐久性。传统制动材料（如石棉基复合材料、铸铁等）存在环境危害或性能局限，因此开发高性能、轻量化、环保的复合材料替代品成为研究热点。然而，制动衬片材料需同时满足多项力学性能（如拉伸强度、压缩强度、弹性模量、断裂韧性），这些性能往往相互冲突，使材料选择成为典型的多准则决策（MCDM）问题。现有文献中，MCDM方法（如AHP、TOPSIS、SAW等）已广泛应用于工程材料选择，但针对复合材料制动衬片的系统研究较少，且缺乏对不同MCDM方法结果的一致性和实验验证的评估。此外，钛-碳化硅（Ti-SiC）增强环氧树脂基复合材料作为制动衬片候选材料的潜力尚未被充分探索。本研究旨在填补上述空白，通过集成多种MCDM方法建立材料选择框架，并利用实验制造和力学测试验证决策结果，以开发高性能、可持续的复合材料制动衬片。
**研究内容与结论**
研究团队（Markala Karthik, Gitay Mayur, Rathod Nikhil, Narkhede Rajendra）首先采用AHP确定四个力学准则（弹性模量、拉伸强度、压缩强度、断裂韧性）的权重，进而使用SAW、WPM和TOPSIS三种方法对七种候选材料（包括增强碳纤维、陶瓷基复合材料、酚醛基复合材料、铝基椰壳纤维增强复合材料、铸铁复合材料、钛金属基复合材料、铝金属基复合材料）进行排序。通过Spearman秩相关分析评估了方法间的一致性。随后，基于MCDM结果，选择排名靠前的钛-碳化硅组合，采用手糊法制备了三种不同SiC含量（3 wt%、5 wt%、7 wt%）的环氧基混合复合材料（固定5 wt%钛），并测试其拉伸强度、压缩强度和布氏硬度。实验结果表明，含5 wt% Ti和5 wt% SiC的复合材料综合性能最优，拉伸强度达102.28 MPa，压缩强度达170.84 MPa，硬度为35 BHN，较其他配方提升约17–45%。该研究证明了MCDM框架在材料初筛中的有效性，并为制动衬片材料的开发提供了系统化、应用导向的方法论。论文发表在《Next Materials》。
**主要技术方法**
本研究采用的关键技术方法包括：①基于AHP的准则权重确定，通过Saaty九点标度构建成对比较矩阵，并计算一致性比率（CR）确保判断可靠性；②三种MCDM排序方法：SAW（加权求和法）、WPM（加权乘积法）和TOPSIS（优劣解距离法），分别对七种候选材料进行排序；③Spearman秩相关分析，评估不同方法排序结果的一致性；④手糊法制备Ti-SiC增强环氧树脂复合材料，用于实验验证。力学性能数据来源于已发表文献（如Table 2所列），包括增强碳纤维、陶瓷基复合材料、酚醛基复合材料、铝基椰壳纤维增强复合材料、铸铁复合材料、钛金属基复合材料、铝金属基复合材料等七种材料。
**研究结果**
**3.1.1 层次分析法（AHP）**
通过AHP的成对比较矩阵，计算得到四个准则的权重向量：弹性模量、拉伸强度、压缩强度和断裂韧性的重要性排序。最大特征值λ
max = 5.261，一致性比率CR满足Saaty标准（CR<0.10），确认权重分配可靠。结果表明，拉伸强度和压缩强度被认为是最重要的力学性能。
**3.1.2 SAW方法**
使用SAW方法计算各候选材料的综合性能指数，排序结果为：钛金属基复合材料（Ti-MCC）排名第一，其次为增强碳纤维、铝金属基复合材料等。具体排序顺序为6–2–5–7–3–1–4（对应材料编号），其中Ti-MCC获得最高分。
**3.1.3 WPM方法**
WPM方法采用乘法模型得到排序，结果与SAW略有差异：Ti-MCC仍排名第一，但后续顺序为增强碳纤维、铝金属基复合材料等。最终排序为6–5–2–7–3–1–4，Ti-MCC居首。
**3.1.4 TOPSIS方法**
TOPSIS方法基于与理想解和负理想解的接近程度进行排序，结果显示铝基椰壳纤维增强复合材料排名第一，增强碳纤维第二，钛金属基复合材料排名第七。排序为4–1–3–7–2–5–6，与SAW和WPM结果不同。Spearman秩相关分析表明，三种方法间存在可接受的一致性，但数学差异导致排序差异。
**3.2 硬度测试结果**
采用布氏硬度计测试三种Ti-SiC环氧复合材料的硬度。含5 wt% Ti和5 wt% SiC的复合材料硬度最高（35 BHN），较含7 wt% SiC的样品（27 BHN）和含3 wt% SiC的样品（23 BHN）显著提升，归因于SiC颗粒的硬质增强效应和钛的应力分布改善。
**3.3 拉伸和压缩测试**
拉伸和压缩测试结果（Table 11）表明，含5 wt% Ti和5 wt% SiC的复合材料拉伸强度最高（102.28 MPa），压缩强度最高（170.84 MPa），性能优于其他配方。SiC含量从5 wt%增至7 wt%导致性能下降，可能因SiC颗粒团聚产生应力集中。该结果与文献中Ranjan等和Archana等的发现一致，验证了MCDM框架对高性能材料的识别能力。
**讨论与结论总结**
讨论部分指出，不同MCDM方法排序结果存在差异，这源于各方法的数学原理不同（SAW为加性模型，WPM为乘性模型，TOPSIS基于距离测度），但整体一致性良好，说明框架具有鲁棒性。实验验证确认了Ti-SiC环氧复合材料在力学性能上的优势，但该验证仅针对排名靠前的材料，并非对所有候选材料的全面实验确认。研究局限性包括仅考虑力学性能、未纳入摩擦学与热学性能，以及未进行成本与生命周期评估。未来需扩展准则并测试更多材料。
**研究结论翻译**
基于调查结果，可得出以下推论：
- 本研究从四种可能性中选择了最优制动衬片，并考虑了四个共同的特性，同时展示了SAW、WPM、TOPSIS和AHP方法。
- 从性能角度看，AHP分析了这些特性的排序。这有助于开发钛金属基复合材料（SAW和WPM方法）和铝基椰壳纤维增强复合材料（TOPSIS方法），两者均为环保型复合材料，用于生产具有长寿命目标的汽车制动衬片。由于使用合适的制动衬片材料可提高耐久性，成本因素相对于上述特性的相对价值较低。
- 结果表明，TOPSIS未提供与AHP、WPM和SAW相同的排序序列，但所有方法得出的结论均被识别为唯一选择。这些方法可用于任何机械工程决策。
- 使用TOPSIS、SAW和WPM对备选方案进行排序，结果显示备选方案的顺序应为4–1–3–7–2–5–6、6–2–5–7–3–1–4和6–5–2–7–3–1–4。由AHP增强的TOPSIS、SAW和WPM方法是排序或选择制动衬片材料的有效工具，有助于在无需耗时和昂贵的实验室测试的情况下选择最佳配方。它能够以较高的准确度预测具有不同配方的复合材料制动衬片材料的性能。
- 使用钛和碳化硅作为环氧基体中的填料制备复合材料制动衬片，并评估了工厂制造的汽车制动衬片的力学性能。钛和碳化硅的最终产物增强了硬度、压缩强度和拉伸强度。选择Ti-SiC环氧复合材料进行实验验证，因为它在集成MCDM框架中排名靠前，是验证所提材料选择方法的实用选择。
- 特定试样的性能优于其他试样。该主要有效复合试样的硬度、压缩强度和拉伸强度分别为35 BHN、170.84 MPa和102.28 MPa。
- 调查结果表明，钛和碳化硅的复合材料可成功替代摩擦衬片/制动衬片材料中的石棉。
- 集成AHP、SAW、WPM和TOPSIS开发制动衬片材料选择框架存在一些局限性。决策矩阵仅包含力学性能，忽略了其他重要性能方面，如制动衬片的摩擦学和热学性能。此外，测试仅限于含Ti-SiC的聚合物复合材料。决策模型未纳入财务、制造成本、环境影响和生命周期成本等因素。因此，未来应使用这些准则并考虑其他候选材料进行额外工作，以开发更完整的材料选择框架。
- 所提出的框架应被视为一个筛选工具，用于在进行更深入分析和构建这些物理行为或性能之前检查力学性能。
