基于人工神经网络方法研究可持续制备的农业废弃物增强 Al-Si-Mg 复合材料的摩擦学行为

《Journal of Cleaner Production》：Tribological behaviour of sustainably fabricated Al-Si-Mg composite reinforced with agro-waste through ANN approach

　　

摘要
本研究报道了用 7.5 wt% 椰壳灰（一种农业废弃物副产品，促进可持续的“变废为宝”利用）增强的环保型 Al-6.6Si-0.2 Mg 金属基复合材料的开发及其性能评估。复合材料采用搅拌铸造工艺制备，并经过 T6 热处理循环，包括在 548°C 下固溶处理 8 小时、水淬以及在 180°C 下人工时效 4、8 和 12 小时。其中，时效 8 小时的样品表现出最高的显微硬度（128.98 ± 5.03 HV）和优异的耐磨性，归因于有效的沉淀硬化。通过滑动磨损测试及随后的扫描电子显微镜分析，确认了保护性摩擦层的存在。此外，采用人工神经网络预测比磨损率和摩擦系数，3-10-2 Levenberg–Marquardt 模型实现了强相关性（R = 0.99527）。实验结果与人工神经网络结果之间的高度一致性凸显了模型在预测磨损性能方面的可靠性。这种新型复合材料展现出在轻质高性能汽车部件方面的潜力，结合了增强的机械性能与生物废弃物增强体的可持续再利用，为绿色制造举措做出了贡献。

引言
铝基合金，特别是 Al-Si-Mg 合金，被广泛应用于各种汽车部件，如活塞、发动机缸体、制动盘和耐磨零件 (Ranjan and Jha, 2025)。良好的铸造性、低密度、优异的耐腐蚀性和适度的耐磨性使它们成为汽车领域广泛应用的潜在材料 (Yadav et al., 2021; Yigezu et al., 2013)。硅的存在增强了该材料的流动性，而镁含量增加了强度。此外，这些合金具有良好的导热性，使其适用于发动机和制动部件 (Patil et al., 2025; Sharma et al., 2025)。除此之外，这些合金具有成本效益并能适应多种制造工艺。然而，在极端载荷和摩擦条件下，这些合金固有的耐磨性仍然是一个局限性。这需要开发具有新型增强体的混杂复合材料以满足需求。

K. Amouri 等人研究了将纳米和微米级的碳化硅 (SiC) 颗粒以 0.5 至 1.5 wt% 的浓度集成到 Al 基体中的影响。SiC 夹杂物导致枝晶长度显著减少，这归因于颗粒在凝固过程中充当优先形核位点。机械性能通过 T6 热处理得到增强，含 1.5 wt% SiC 的样品表现出更好的性能 (Amouri et al., 2016)。Chinmay 等人研究了增韧了 10 wt% Si3N4 颗粒的 Al-Si-Mg 合金。Si3N4 的添加大幅提高了复合材料的机械和摩擦学性能。经过 T6 热处理后，复合材料的硬度为 120.8 HV，抗拉强度为 275 MPa，这归因于颗粒强化和更好的基体 - 颗粒结合 (Chandroth et al., 2025)。Chengtong Ye 等人研究了镁的掺入对 SiC 颗粒增强 Al-Si-Mg 复合材料耐磨性的影响。1 wt% Mg 的加入导致在α-Al 基体中生成 Mg-Si GP 区和β (Mg2Si) 析出物。沉淀强化提高了复合材料的耐磨性 (Ye et al., 2025)。Husain Mehdi 等人试验了 SiC/TiO2 在 AA6082 中的增强 (Chen et al., 2025)。随着 SiC 和 TiO2 的增加，晶粒尺寸细化。随着增强体的增加，获得的最大硬度为 125.5HV。另一方面，过量的增强体导致孔隙和团聚。Wei Chen 等人研究了 La2O3 在 A356 合金中的添加。0.3 wt% La2O3 的加入导致微观组织细化，以及高的屈服强度和极限抗拉强度 (Chen et al., 2025)。Balram Yelamasetti 等人试验了 5 wt% WC 和 5 wt% Al2O3 在 AA2104 和 AA6061 中的添加。样品分别表现出最大极限抗拉强度 155 MPa 和 184 MPa (Yelamasetti et al., 2025)。Yakup 等人的调查报告称，将机械合金化与 Si3N4 结合可以提高 Al-Si-Mg 复合材料的密度和硬度。(Yürektürk et al.)。Jalli Kantha Rao 等人的类似研究工作试验了不同比例（3、6、9 和 12 wt%）的 Si3N4 增强 Al7075。12 wt% Si3N4 的耐磨性最高，比磨损率低至 0.0065 mm3/m，摩擦系数为 0.28 (Kantha et al., 2025)。

可以看出，传统增强体如 SiC、WC、TiO2、Si3N4 等已在各种 Al 基复合材料中进行了试验 (Subramaniam et al., 2019; Shaikh et al., 2025)。然而，颗粒团聚、润湿性差和材料成本高导致这些增强体被新型添加剂取代 (Poornesh et al., 2024)。具体而言，SiC 的生产会导致显著的碳足迹和生产成本飙升。TiO2 的生产涉及有害化学品的使用并需要高能耗。近年来，注意力已转向可持续和生物衍生的增强体。椰壳灰是椰壳废物热分解的副产品，具有环保、低成本且易于获取的特点，可以作为一种新型替代品，因为它是碳中和的。此外，与传统增强体相比，它重量轻，且具有高的比强度。椰壳灰（CSA）具有磨蚀特性，使其成为制动系统等汽车部件的潜在选项。此外，轻量化特性结合高比强度使其成为连杆的合适替代选择。同样，CSA 也可以尝试作为叶轮和叶片的替代材料。Seikh 等人指出，用农业废物取代传统增强体可以将碳足迹减少近 25-30%。这可以解释为每处理 1000 吨可避免近 300 吨二氧化碳排放。因此，这是一项可行的绿色制造举措 (Shaikh et al., 2025)。

椰壳灰由二氧化硅、氧化铝和碳组成，可以作为潜在的 新型增强体，以改善铸造 Al-Si-Mg 合金的摩擦学（磨损特性）性能和机械性能。

Sathyanarayana 等人 (Satyanarayana et al., 2018) 研究了铝基体中红泥复合材料的磨损特性。作者在不同载荷和速度下对其进行测试，利用回归和 ANN 模型预测磨损率。最近，Murali 等人 (2026) 对增韧了 CSA 的 Al-Si-Mg 的形貌和机械行为进行了调查。作者研究了经过 CSA 颗粒增韧的热处理 Al-Si-Mg 的微观组织分析和拉伸行为。ANN 模型在其隐藏层中具有 6 和 7 个神经元，实现了 7.3% 的平均绝对百分比误差、0.989 的相关系数和 0.3177 的均方根误差。这些结果落在可接受范围内，使模型适用于预测磨损行为，这显著减少了项目时间和成本。Soorya 等人 (Prakash et al., 2017) 研究了通过粉末冶金加工的多壁碳纳米管 (MWCNT) 增强铜基金属基复合材料的磨损特性，并检查了不同数量的 MWCNT 如何影响这些属性，使用了实验方法和 ANN 模拟。ANN 模型的预测有效阐明了单独参数对 Cu-MWCNT MMCs 磨损损失的影响，显示出 99.5% 的 R 值，并与方差分析结果显示出强相关性。

回归分析是一种确定因变量与一个或多个自变量之间关系的方法。可以使用 ANN 创建增强模型，这涉及从以前收集的数据中学习，即训练集或学习集，随后使用测试数据评估系统性能 (Gorriz et al., 2026)。采用 3-10-2 配置的 ANN 来增强和验证与磨损率相关的实验发现。这种方法有效地捕捉了系统的非线性特性，从而比传统技术带来可靠的预测和更好的过程优化。

本研究探讨了使用搅拌铸造随后热处理（T6）将椰壳灰掺入 Al-6.6 wt% Si-0.2 wt%Mg 合金中。选择该合金是因为其具有优异耐腐蚀性、高导热性和优异的强度重量比等有利性能，使其成为汽车应用的潜在替代品。该研究旨在评估复合材料在时效热处理前后的冶金、机械和摩擦学性能。

章节片段
基体材料
本研究使用的基体合金是一种 Al-Si-Mg 亚共晶合金，名义成分为 Al-6.6 wt% Si-0.2 wt%Mg。

椰壳灰（CSA）的制备
椰壳灰（CSA）是一种源自丰富农业废物的环保增强材料 (Bheel et al., 2024; Huang et al., 2026)。来自本地来源的废弃椰壳，代表椰子（Cocos nucifera）的硬内果皮，被收集并手工清洗以去除残留胚乳和果肉。壳在阳光下干燥。

成分分析
图 5 展示了 ACA 样品的 EDS 和元素面分布分析。分析中检测到的元素确认了金属基复合材料的成功制备。

密度分析
MMCs 的密度列于表 3 中。制备的基体合金和铝 MMCs 的理论密度使用以下方程计算：
ρ(AlMMC) = ρ(m)×Vf(m) + ρ(p)×Vf(p)
其中 ρ(AlMMC) 代表 AMMC 的密度，ρ(m) 和 ρ(p) 分别表示基体和颗粒的密度。

铸态试样
掺入 7.5 wt% 椰壳灰的铸态 Al-6.6Si-0.2 Mg 的比磨损率（SWR）和摩擦系数（COF）表示在图 10(a) 中。试样在 5N、10N 和 15N 的不同载荷条件下进行测试。在 5N 的低载荷下，试样表现出 0.0053mm3/Nm 的低 SWR 和接近 0.18 的低摩擦系数。这种行为代表了一种轻微且受控的磨损阶段。施加的载荷在阈值极限内，否则将引发 [磨损]。

磨损表面形貌 – 载荷效应
8 小时热处理试样上载荷效应下的磨损表面形貌表示在图 13 中。5N 轴向载荷下的磨损表面形貌如图 13(a–c) 所示。图 13 (a) 突出了分层特征，材料被机械应力剥离。这是由亚表面裂纹扩展导致块状物分离引起的。图 13 (b) 显示表面有碎屑和凹坑。凹坑由重复的接触应力形成，碎屑 [由...形成]。

结论
本调查成功展示了使用搅拌铸造技术开发掺入 7.5 wt% 椰壳灰的环保型 Al-6.6Si-0.2 Mg 金属基复合材料，但并非没有限制。本研究的主要局限性之一是椰壳灰可能吸收水分，从而导致孔隙。此外，CSA 和 Al 之间在升高的温度下可能会发生意外的化学反应。此外，ANN 泛化是数据

CRediT 作者贡献声明
K. Rajesh Kannan: 调查、方法论、写作 – 初稿、写作 – 审查与编辑。Karthik V. Shankar: 概念化、形式分析、方法论、写作 – 初稿、写作 – 审查与编辑。Arun Prasad Murali: 方法论、项目管理、资源。P. Vaishnav: 调查、方法论、验证、可视化、写作 – 初稿。Bipin Sankar: 项目管理、软件、监督、写作 – 初稿。Aravind Senan Vasanthasenan

参与同意书
所有作者同意参与并为这项研究做出贡献。

伦理批准
作者断言这项研究不涉及任何伦理问题。

发表同意书
手稿中列出的所有作者已同意发表这项研究工作。

资金
作者声明在准备本文期间未收到任何资金、赠款或其他支持。

竞争利益声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文中报告的工作。

致谢
无。

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