基于熵權(quán)的短切碳纖維質(zhì)量模糊綜合評(píng)價(jià)*

劉小康　楊峰　高嬌　陸龍生

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院, 廣東 廣州 510640)

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基于熵權(quán)的短切碳纖維質(zhì)量模糊綜合評(píng)價(jià)*

劉小康楊峰高嬌陸龍生

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院, 廣東 廣州 510640)

為解決短切碳纖維制備過(guò)程中存在的質(zhì)量不穩(wěn)定及難以控制等問(wèn)題，對(duì)影響短切碳纖維質(zhì)量的工藝參數(shù)進(jìn)行了研究.選擇烘箱溫度、壓輥壓力、刀輥壓力和短切速度4種工藝參數(shù)為評(píng)價(jià)因子，長(zhǎng)度離散度、寬度均勻性離散度、斷口整齊度和斷面形貌為質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，用正交法設(shè)計(jì)碳纖維短切實(shí)驗(yàn)，得到不同工藝參數(shù)的短切碳纖維樣品，然后基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用熵理論確定質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的客觀(guān)權(quán)重，最后應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).評(píng)價(jià)結(jié)果表明，當(dāng)烘箱溫度為150 ℃、壓輥壓力和刀輥壓力分別為0.2和0.4MPa、短切速度為6.9m/min時(shí)，制備出來(lái)的短切碳纖維質(zhì)量最好.

短切碳纖維；質(zhì)量評(píng)價(jià)；正交試驗(yàn)；熵；模糊綜合評(píng)價(jià)

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為一種先進(jìn)復(fù)合材料，具有質(zhì)量輕、模量高、比強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)低、耐高溫、耐熱沖擊、耐腐蝕、吸振性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車(chē)、建筑等領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用[1- 2].碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由碳纖維與基體樹(shù)脂以不同制備工藝制成，用于增強(qiáng)的碳纖維主要分為連續(xù)碳纖維和非連續(xù)碳纖維.擁有最好機(jī)械性能的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料都是由連續(xù)纖維增強(qiáng)制成的，但是這種復(fù)合材料并不適合于大批量生產(chǎn)，而非連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料不僅適合于快速大批量的生產(chǎn)，而且成本更低[3].短切碳纖維作為非連續(xù)碳纖維的一種重要應(yīng)用形式，能克服長(zhǎng)纖維軸向性能不均的弊病，其綜合性能均勻，能夠與注塑、噴射和攪拌等傳統(tǒng)成型方式結(jié)合，制造工藝簡(jiǎn)單，更為靈活多樣和高效[4].

短切碳纖維是將碳纖維切斷為毫米、微米量級(jí)纖維片段，其幾何尺寸、形貌特征和微觀(guān)結(jié)構(gòu)直接決定著碳纖維應(yīng)用產(chǎn)品的性能[5].目前，關(guān)于短纖維的研究主要集中在短切碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備及其性能等方面.徐任信等[6]制備了短切碳纖維/AlN/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，并研究了其熱、電和力學(xué)性能，Ozkan等[7]對(duì)短碳纖維增強(qiáng)聚碳酸酯復(fù)合材料性能進(jìn)行了研究，施凱[8]對(duì)短切碳纖維表面改性，制備了短切碳纖維增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料，郭領(lǐng)軍等[9]制備了短切炭纖維增強(qiáng)的瀝青基C/C炭復(fù)合材料，并研究了表面處理對(duì)C/C復(fù)合材料體積密度和抗壓強(qiáng)度的影響.此外，近幾年還有很多學(xué)者研究了短纖維長(zhǎng)度與短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能之間的關(guān)系，如Rezaeia等[5]研究了碳纖維長(zhǎng)度對(duì)短纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料熱性能的影響，結(jié)果表明碳纖維長(zhǎng)度的增加可以提高復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性；Karsli等[10]研究了短纖維長(zhǎng)度和含量對(duì)碳纖維增強(qiáng)尼龍6復(fù)合材料力學(xué)性能的影響.Shen等[11]簡(jiǎn)單提到過(guò)碳纖維的短切過(guò)程，但其目的主要是為了揭示碳纖維短切過(guò)程中刀具的磨損機(jī)理.迄今為止，很少有學(xué)者對(duì)短切碳纖維制備工藝參數(shù)進(jìn)行研究.

不同工藝參數(shù)會(huì)使得短切碳纖維產(chǎn)品質(zhì)量不好控制，造成長(zhǎng)度、寬度、斷口整齊程度不一以及斷面形貌不穩(wěn)定等問(wèn)題.針對(duì)此問(wèn)題，文中首先采用碳纖維短切工藝參數(shù)的正交試驗(yàn)方法，分析短纖維長(zhǎng)度離散度、寬度均勻性離散度，并對(duì)斷口整齊程度和斷面形貌進(jìn)行評(píng)分，嘗試采用熵權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)方法計(jì)算短切碳纖維質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)值，優(yōu)化選擇最佳工藝參數(shù)，解決短切碳纖維產(chǎn)品中存在的長(zhǎng)度、寬度、斷口整齊程度以及斷面形貌不穩(wěn)定等問(wèn)題.

1　實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

選用中復(fù)神鷹碳纖維有限公司生產(chǎn)的碳纖維，其型號(hào)和性能參數(shù)見(jiàn)表1.碳纖維被切斷前，需要對(duì)其上漿處理，這一方面是為了使碳纖維得到較好的集束，另一方面是為了在后續(xù)工藝中增強(qiáng)碳纖維與樹(shù)脂基體之間的粘結(jié)力.實(shí)驗(yàn)中選用由中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所提供的濃度為2.8%的PU上漿劑.

表1　碳纖維參數(shù)

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1短切碳纖維制備流程

短切碳纖維制備示意圖如圖1所示，膠輥由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，膠輥轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)碳纖維紗錠放絲，碳纖維絲束經(jīng)過(guò)漿槽上漿后，進(jìn)入烘箱，上了漿的碳纖維絲束被烘干后，在壓輥的作用下碳纖維絲束被壓實(shí)在膠輥上，膠輥的轉(zhuǎn)動(dòng)使碳纖維絲束沿著膠輥表面運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，刀輥在氣缸的作用下對(duì)膠輥施加壓力將碳纖維絲束切斷，從而得到短切碳纖維.短切碳纖維及其斷口形貌和斷面形貌如圖2所示.在制備過(guò)程中，短切碳纖維長(zhǎng)度、寬度、斷口整齊程度和斷面形貌等主要質(zhì)量指標(biāo)受到烘箱溫度、壓輥壓力、刀輥壓力以及短切速度等因素的影響.

圖1　短切碳纖維制備示意圖

Fig.1Schematicdiagramofpreparationofchoppedcarbonfiber

1.2.2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為減少試驗(yàn)次數(shù)，同時(shí)不降低各試驗(yàn)數(shù)據(jù)的信息量，采用正交分析法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，選擇烘箱溫度、壓輥壓力、刀輥壓力和短切速度作為試驗(yàn)因子，為確定各因素水平值，首先進(jìn)行多次前期實(shí)驗(yàn)，以制備出短切碳纖維外觀(guān)形貌較好的工藝參數(shù)為第2水平值，對(duì)各參數(shù)前后浮動(dòng)一定范圍，制定出第1和第3水平值，從而得到一個(gè)四因素三水平的正交試驗(yàn)表L9(34)，試驗(yàn)因素水平和試驗(yàn)方案分別如表2、3所示.

圖2　短切碳纖維及其斷口形貌和斷面形貌

Fig.2Choppedcarbonfibersanditsfracturemorphologyandsectionmorphology

表2　正交試驗(yàn)因素水平表

表3　正交試驗(yàn)方案

1.2.3評(píng)價(jià)指標(biāo)的選定及其測(cè)定方法

短切碳纖維的制備過(guò)程中主要有長(zhǎng)度、寬度均勻性不一，斷口整齊度不一致、斷面形貌差異較大等問(wèn)題，因此選擇短切碳纖維長(zhǎng)度、寬度均勻性標(biāo)準(zhǔn)差以及斷口整齊度和斷面形貌作為評(píng)價(jià)指標(biāo).其中，短切碳纖維長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)差和寬度均勻性標(biāo)準(zhǔn)差分別按式(1)和(2)計(jì)算.

(1)

(2)

(3)

式中，bmax(ij)和bmin(ij)分別表示正交試驗(yàn)中第i組試驗(yàn)第j個(gè)樣本的寬度最大值和最小值.

選用型號(hào)為VH-Z100R的基恩士超景深顯微鏡觀(guān)測(cè)短切碳纖維的斷口整齊程度和斷面形貌，并邀請(qǐng)8名短切碳纖維學(xué)習(xí)小組成員分別對(duì)9組正交試驗(yàn)樣本的斷口整齊程度及斷面形貌按照感官程度進(jìn)行評(píng)分，感官程度最好的評(píng)9分，最差的評(píng)1分，最終的評(píng)分結(jié)果取平均值.

2　基于熵權(quán)的短切碳纖維質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)問(wèn)題，權(quán)重的確定是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題.典型的權(quán)重確定方法主要有專(zhuān)家打分法、德?tīng)柗品?、熵?quán)法、主層次分析法、聚類(lèi)分析法、層次分析法等[12- 14].其中，專(zhuān)家打分法和德?tīng)柗品ǖ馁x權(quán)結(jié)果完全依賴(lài)于專(zhuān)家意見(jiàn)，不可避免地受到專(zhuān)家主觀(guān)傾向的影響[15].文獻(xiàn)[16]指出，采用熵權(quán)法計(jì)算不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的客觀(guān)權(quán)重可有效減少人為因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響.

熵權(quán)法的基本思想是：權(quán)重系數(shù)應(yīng)當(dāng)是各個(gè)指標(biāo)在指標(biāo)總體中的變化程度和對(duì)其他指標(biāo)影響程度的度量，賦權(quán)的原始信息應(yīng)當(dāng)直接來(lái)源于客觀(guān)環(huán)境，可根據(jù)各指標(biāo)所提供的信息量的大小來(lái)決定相應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)[17].

2.1構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣

設(shè)在某決策問(wèn)題中有p個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象和q個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，第i′個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的第j′個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)取值為xi′j′(1≤i′≤p,1≤j′≤q)，則初始決策矩陣為

(4)

2.2評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣的標(biāo)準(zhǔn)化處理

將初始決策矩陣進(jìn)行歸一化.指標(biāo)可以分成兩類(lèi)：一類(lèi)是大者為優(yōu)的效益型指標(biāo)，另一類(lèi)是小者為優(yōu)的成本型指標(biāo).兩者歸一化公式分別為式(5)和(6):

(5)

(6)

由此可得經(jīng)歸一化處理后的隸屬度矩陣：

(7)

2.3指標(biāo)熵及熵權(quán)的確定

在信息論中，熵值反映了信息化的有序化程度，可以用來(lái)度量信息量的大小，某項(xiàng)指標(biāo)攜帶的信息量越多，表示該指標(biāo)對(duì)決策的作用越大，熵值就越小，則系統(tǒng)有序度越高;反之，指標(biāo)攜帶的信息量越少，表示該指標(biāo)對(duì)決策的作用越小，熵值也就越大，則系統(tǒng)有序度越低[18].系統(tǒng)的熵Hj′形式如下：

(8)

第j′個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)定義為

(9)

2.4模糊綜合評(píng)價(jià)

由標(biāo)準(zhǔn)化的特征矩陣和綜合權(quán)向量W，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)矩陣的符合運(yùn)算規(guī)則，可求得模糊綜合判定矩陣C：

C=W×RT=(w1,…，wj′，…,wq)×(ri′j′)q×p=

(c1,…，ci′，…,cp)

(10)

式中,ci′表示第i′個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)值.ci′值越大，表示所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)對(duì)象越優(yōu).

3　結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)得到的短切碳纖維長(zhǎng)度、寬度均勻性標(biāo)準(zhǔn)差以及對(duì)斷口整齊程度、斷面形貌的評(píng)分(平均值)見(jiàn)表4.

表4短切碳纖維質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)

Table4Testdataofchoppedcarbonfibers’qualityevaluationindexes

試驗(yàn)編號(hào)長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)差寬度均勻性標(biāo)準(zhǔn)差斷口整齊程度平均分?jǐn)嗝嫘蚊财骄?0.08950.06452.5008.00020.09340.04656.5004.50030.12030.01353.3751.62540.09510.03309.0005.62550.11300.01407.8752.62560.11070.03375.5006.87570.11980.01093.5003.37580.15730.05121.0006.00090.14590.01666.2506.500

由表4可知，初始決策矩陣為

長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)差和寬度均勻性標(biāo)準(zhǔn)差這兩項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)屬于成本型指標(biāo)，其相對(duì)隸屬度根據(jù)式(6)計(jì)算；而斷口整齊度平均分和斷面形貌平均分這兩項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)則屬于效益型指標(biāo)，其相對(duì)隸屬度根據(jù)式(5)計(jì)算.由此可得到歸一化的指標(biāo)矩陣：

根據(jù)式(8)，計(jì)算得到各指標(biāo)的熵值為

根據(jù)式(9)，計(jì)算得到各指標(biāo)的熵權(quán)為

因此，短切碳纖維質(zhì)量的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣為

C=W×RT=(0.586,0.590,0.447,0.760,0.621,0.675,0.545,0.268,0.626)T.

根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣，可知短切碳纖維質(zhì)量由好至差的試驗(yàn)編號(hào)排序?yàn)椋?、6、9、5、2、1、7、3、8.由排序結(jié)果可知，第4組試驗(yàn)得到的短切碳纖維樣品質(zhì)量最優(yōu)，第8組試驗(yàn)得到的短切碳纖維樣品質(zhì)量最差，說(shuō)明當(dāng)烘箱溫度為150 ℃、壓輥壓力和刀輥壓力分別為0.2和0.4MPa、短切速度為6.9m/min時(shí)，切斷出來(lái)的短纖維質(zhì)量最好；當(dāng)烘箱溫度為180 ℃、壓輥壓力和刀輥壓力分別為0.1和0.4MPa、短切速度為11.5m/min時(shí)，切斷出來(lái)的短纖維質(zhì)量最差.因此，對(duì)于文中試驗(yàn)參數(shù)，為了得到最好的短切碳纖維質(zhì)量，選擇烘箱溫度為150 ℃、壓輥壓力和刀輥壓力分別為0.2和0.4MPa、短切速度為6.9m/min的參數(shù)組合較合適.

4　結(jié)語(yǔ)

文中通過(guò)正交試驗(yàn)得到9組不同試驗(yàn)參數(shù)組合條件下的短切碳纖維樣品，并確定了4種評(píng)價(jià)指標(biāo)，首次采用基于熵權(quán)理論的模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)短切碳纖維質(zhì)量做了綜合評(píng)價(jià)，得到了最好的短切碳纖維質(zhì)量.文中基于熵權(quán)的模糊綜合評(píng)判法能夠?qū)⒕哂胁煌烤V的指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，反映了指標(biāo)的真實(shí)水平和評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定的科學(xué)性.另外，通過(guò)對(duì)短切碳纖維質(zhì)量進(jìn)行多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)，有助于生產(chǎn)廠(chǎng)家在碳纖維短切工業(yè)生產(chǎn)中，依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果確定最合適的參數(shù)組合，提高短切碳纖維產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性.

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Foundationitems:SupportedbytheJointFundoftheNationalNaturalScienceFoundationofChinaandGuangdongProvince(U1201242)andtheResearchFundfortheDoctoralProgramofHigherEducationofChina(20120172130004)

FuzzyComprehensiveQualityEvaluationofChoppedCarbonFiberBasedonEntropyWeight

LIU Xiao-kangYANG FengGAO JiaoLU Long-sheng

(SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,Guangdong,China)

Inordertoovercometheinstabilityandcontroldifficultyofthechoppingprocessofcarbonfibers(CFs),theprocessparametersaffectingthequalityofchoppedCFswereinvestigated.Bytakingtheoventemperature,thepressrollpressure,thecutterrollpressureandthechoppingspeedastheevaluationfactorsandbyusingthelengthdispersion,thewidthuniformity,thefracturesectionuniformityandthefracturesurfacemorphologyasthequalityevaluationindexes,someorthogonalexperimentsweredesignedandcarriedout,fromwhichtheevaluationweightofeachqualityevaluationindexwasdeterminedbasedontheentropytheory.Moreover,thechoppingprocessparameterswereevaluatedviaafuzzycomprehensiveevaluation.TheresultsshowthattheCFswiththebestqualitycanbechoppedatanoventemperatureof150 ℃,apressrollpressureof0.2MPa,acutterrollpressureof0.4MPaandachoppingspeed6.9m/min.

choppedcarbonfiber;qualityevaluation;orthogonalexperiment;entropy;fuzzycomprehensiveevaluation

劉小康(1959-)，女，教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論研究.E-mail：Liuxk58@scut.edu.cn

1000- 565X(2016)06- 0059- 06

TB332

10.3969/j.issn.1000-565X.2016.06.010

2015- 10- 19

NSFC-廣東省政府聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(U1201242);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20120172130004)