CN111044446B - 一种简化多离子因素影响的钛合金表面改性摩擦实验设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种简化多离子因素影响的钛合金表面改性摩擦实验设计方法，基于阴离子分别为Cl^‑、HCO₃ ^‑、HPO₄ ^2‑、SO₄ ^2‑的所有情况下，获取阳离子时对应的涂层质量的均值，并以此作为根据来分析每种阳离子对摩擦体系中涂层质量的促抑规律；基于阳离子为Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺的情况下，获取阴离子时对应的摩擦系数的均值，并以此作为根据来分析每种阴离子对摩擦体系中摩擦系数的促抑规律。影响因素包括阳离子和阴离子两种，其中：阳离子为Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺；阴离子为Cl^‑、HCO₃ ^‑、HPO₄ ^2‑、SO₄ ^2‑。实验结果变量共有两种，阳离子对应的涂层质量和阴离子对应的摩擦系数。本方法不仅简化了实验方案，提高了实验效率，还保证了实验结果的准确性，具有很高的实用性。

Description

一种简化多离子因素影响的钛合金表面改性摩擦实验设计 方法

技术领域

本发明涉及摩擦实验设计领域，具体涉及一种简化多离子因素影响的钛合金表面改性摩擦实验设计方法。

背景技术

针对系列盐溶液润滑条件下，使用多功能摩擦磨损试验机(UMT)对聚合物改性钛合金基底进行摩擦实验，是探究不同离子因素对摩擦体系促抑规律的重要技术手段。现阶段关于多种盐离子对摩擦体系的分别促抑规律进行的研究较少，且没有明确的多因素降维手段，导致实验次数庞大而又无法使用正交实验表考虑全部混合变量的影响，无法简化摩擦实验方案以提高效率。

因此，需要提供一种技术方案来克服现有技术的不足。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种简化多离子因素影响的的钛合金表面改性摩擦实验设计方法。

一种简化多离子因素影响的的钛合金表面改性摩擦实验设计方法，其包括：基于阴离子分别为Cl^-、HCO₃ ^-、HPO₄ ^2-、SO₄ ^2-的所有情况下，获取阳离子为Na⁺(K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺同理)时对应的涂层质量的均值，并以此作为根据来分析每种阳离子对摩擦体系中涂层质量的促抑规律；基于阳离子为Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺的情况下，获取阴离子为Cl^-(HCO₃ ^-、HPO₄ ^2-、SO₄ ^2-同理)时对应的摩擦系数的均值，并以此作为根据来分析每种阴离子对摩擦体系中摩擦系数的促抑规律。影响因素包括阳离子和阴离子两种，其中：阳离子为Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺；阴离子为Cl^-、HCO₃ ^-、HPO₄ ^2-、SO₄ ^2-。实验结果变量共有两种，阳离子对应的涂层质量和阴离子对应的摩擦系数。

实验结果变量有两种，一种是涂层质量，另一种是摩擦系数。对于涂层质量来说，测量方式为：将聚合物改性钛合金基底浸泡在以Na⁺(K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺同理)为分析因素配制的系列盐溶液中，静置18小时后，UMT进行摩擦实验，其中：摩擦副为聚合物改性钛合金基底与聚四氟乙烯(PTFE)小球，润滑剂为去离子水，以聚合物改性涂层的失效时间来衡量涂层质量，并进一步求解对应阳离子为Na⁺(K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺同理)时的涂层质量，即改性涂层失效时间的均值。对于摩擦系数来说，测量方式为：使用UMT进行摩擦实验，其中：摩擦副为聚合物改性钛合金基底与PTFE小球，润滑剂为分析阴离子为Cl^-(HCO₃ ^-、HPO₄ ^2-、SO₄ ^2-同理)时所配制的系列盐溶液，采集一小时内的平均摩擦系数(摩擦处于稳定状态)，并进一步求解对应阴离子下的摩擦系数的均值。

在对实验数据进行均值化后，采用因子分析法获得每种影响因素下的四种离子对实验结果变量的影响权重，进而寻找具有相似影响的共性因子，将两种影响因素的四种离子数降维，以期作为后续正交实验的新因素。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明可应用于多离子因素影响下的钛合金表面改性摩擦实验设计，由于因素较多而无法考虑全部组合情况下的影响，全面实验次数数量庞大，又无法使用正交实验表(如图2所示，考虑阳离子为Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺的情况下，其全部组合共有

种)的情况，进而无法高效分析各种离子在摩擦体系中影响涂层质量和摩擦系数的促抑规律。如果能够对离子因素进行降维，将会减少至少一半的工作量(如图2所示，考虑阳离子降维为三种因素情况下，其全部组合就只有

种情况)，不仅简化了实验方案，提高了实验效率，还保证了实验结果的准确性，具有很高的实用性。

附图说明

图1是本发明实验设计方法的流程图。

图2是正交实验表表头设计的前后对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的简化实验设计方法包括：基于阴离子分别为Cl^-、HCO₃ ^-、HPO₄ ^2-、SO₄ ^2-的所有情况下，获取阳离子为Na⁺(K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺同理)时对应的涂层质量的均值；基于阳离子为Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺的情况下，获取阴离子为Cl^-(HCO₃ ^-、HPO₄ ^2-、SO₄ ^2-同理)时对应的摩擦系数的均值。在对实验数据进行均值化后，采用因子分析法获得每种影响因素下的四种离子对实验结果变量的影响权重，进而寻找具有相似影响的共性因子，将两种影响因素的四个离子实现降维，以期作为后续正交实验的新因素。

为了获得实验结果(如涂层质量)的具体数值，以Na⁺为例，将样品分别浸泡在系列盐溶液(NaCl、NaHCO₃、Na₂HPO₄、Na₂SO₄。)中，静置18小时，保证阳离子充分滑入交联涂层中，起到稳定涂层的作用。然后，以去离子水为润滑剂，使用UMT进行摩擦实验，以涂层的失效时间作为衡量其质量的标准(具体表现为摩擦系数有一个明显的突增)，对实验结果进行均值化处理。对于不同的实验中设置涂层质量和摩擦系数两个结果变量，分别用CQ和FC来表示，并使用下标i和j来进行区分，这些变量替换为其他变量表达方式也在本发明的保护范围之内，并对实验结果作如下分析：

首先，探究阳离子在稳定聚合物涂层上的促抑规律，实验结果变量主要是涂层质量；

取聚合物改性钛合金基底和聚四氟乙烯微球组成摩擦副，使用UMT在配备的系列盐溶液(取Na+作为案例进行分析，即NaCl、NaHCO₃、Na₂HPO4、Na₂SO4)润滑条件下分别获得涂层质量CQ；

对四种情况下的涂层质量做均值化处理：

如图2所示，采用因子分析法对上述数据进行处理；

第一步，确定所要分析的变量，分析的是阳离子，即Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺；

第二步，计算所选原始变量的相关系数矩阵，反映的是变量CQ和因子H的相互联系；

CQ_j＝ρ_j1H₁+ρ_j2H₂+…+ρ_jmH_m+ε_j，(j＝1，2，…，4；m≤k)

将理论模型改写成矩阵形式：

对

做归一化处理，可得

第三步，提取公共因子；

计算相关系数矩阵的特征值和特征向量，从中选择特征值大于等于1的特征值个数为公共因子数,或者根据因子对CQ的累计贡献率大于80％来确定公共因子；

第四步，作因子旋转处理，以期使阳离子中的四种因素变量与尽可能少的因子之间有密切的关系；

这里采用方差最大正交旋转的方法使得提取到的公共因子只对阳离子(Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺)中的两个或三个变量上有高载荷；

第五步，采用最小二乘法计算因子得分，得到各因子在体系中所占的权重。

确定更新后的影响摩擦体系中改变涂层质量的所有元素，具有一定的参考意义。

接着，探究阴离子在改变聚合物改性钛合金基底的摩擦系数上的促抑规律，实验结果变量主要为摩擦系数；

取钛合金表面改性样品和聚四氟乙烯微球组成摩擦副，使用UMT在配备的系列盐溶液(取Cl-作为案例进行分析：，即NaCl、KCl、CaCl₂、MgCl₂)润滑条件下分别获得摩擦系数FC；

对四种情况下的摩擦系数做均值化处理：

采用因子分析法对上述数据进行处理；

第一步，确定所要分析的变量，分析的是阴离子，即Cl-、HCO₃-、HPO₄ ²-、SO₄ ²-；

第二步，计算所选原始变量的相关系数矩阵，反映的是变量FC和因子R的相互联系；

FC_i＝σ_i1R₁+σ_i2R₂+…+σ_inR_n+ω_i，(i＝1，2，…，4；n≤s)

将理论模型改写成矩阵形式：

对

做归一化处理，可得

第三步，提取公共因子；

计算相关系数矩阵的特征值和特征向量，从中选择特征值大于等于1的特征值个数为公共因子数,或者根据因子对FC的累计贡献率大于80％来确定公共因子；

第四步，作因子旋转处理，以期使阴离子中的四种因素变量与尽可能少的因子之间有密切的关系；

这里采用方差最大正交旋转的方法使得提取到的公共因子只对阴离子(Cl^-、HCO₃ ^-、HPO₄ ^2-、SO₄ ^2-)中的两个或三个变量上有高载荷；

第五步，采用最小二乘法计算因子得分，得到各因子在体系中所占的权重。

确定更新后的影响摩擦体系中影响摩擦系数的所有元素，具有一定的参考意义。

经过上述处理后，可以降低阳离子或者阴离子的因素数量，以提取到的因子作为新的变量代替原始的两种或者三种因素进行实验。如果想要再做正交实验获得全面的混合变量实验，所有因素个数最多为3，组合最多也只有

种情况，大大简化了实验方案的设计过程，减少了后续分析过程的工作量。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种简化多离子因素影响的钛合金表面改性摩擦实验设计方法，其特征在于：包括基于阴离子分别为Cl^-、HCO₃ ^-、HPO₄ ^2-、SO₄ ^2-的所有情况下，获取阳离子为Na⁺或K⁺或Ca²⁺或Mg²⁺时对应的涂层质量的均值，并以此作为根据分析每种阳离子对摩擦体系中涂层质量的促抑规律；基于阳离子为Na⁺或K⁺或Ca²⁺或Mg²⁺情况下，获取阴离子为Cl^-或HCO₃ ^-或HPO₄ ^2-或SO₄ ^2-时对应的摩擦系数的均值，并作为根据来分析每种阴离子对摩擦体系中摩擦系数的促抑规律；影响因素包括阳离子和阴离子两种，其中：阳离子为Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺；阴离子为Cl^-、HCO₃ ^-、HPO₄ ^2-、SO₄ ^2-；实验结果变量共有两种，阳离子对应的涂层质量和阴离子对应的摩擦系数；

实验结果变量有两种，一种是涂层质量，另一种是摩擦系数；对于涂层质量来说，测量方式为：将聚合物改性钛合金基底浸泡在以Na⁺或K⁺或Ca²⁺或Mg²⁺为分析因素配制的系列盐溶液中，静置18小时后，UMT进行摩擦实验，其中：摩擦副为聚合物改性钛合金基底与聚四氟乙烯小球，润滑剂为去离子水，以聚合物改性涂层的失效时间来衡量涂层质量，并进一步求解对应阳离子为Na⁺或K⁺或Ca²⁺或Mg²⁺时的涂层质量，即改性涂层失效时间的均值；对于摩擦系数来说，测量方式为：使用UMT进行摩擦实验，其中：摩擦副为聚合物改性钛合金基底与PTFE小球，润滑剂为分析阴离子为Cl^-或HCO₃ ^-或HPO₄ ^2-或SO₄ ^2-时所配制的系列盐溶液，采集一小时内的平均摩擦系数，并进一步求解对应阴离子下的摩擦系数的均值；

在对实验数据进行均值化后，采用因子分析法获得每种影响因素下的四种离子对实验结果变量的影响权重，进而寻找具有相似影响的共性因子，将两种影响因素的四种离子数降维，作为后续正交实验的新因素；

将单一离子对摩擦体系的影响作均值化处理后，保证实验数据的可靠性，再用因子分析法获得每种影响因素下的四种离子对实验结果变量的影响权重，进而寻找具有相似影响的共性因子，将两种影响因素的四种离子数降维，以期作为后续正交实验的新因素，包括：

第一步，确定所要分析的变量；

第二步，计算所选原始变量的相关系数矩阵，反映的是变量和因子的相互联系，并将理论模型改写成矩阵形式；

第三步，对实验结果变量做归一化处理；

第四步，提取公共因子，即计算相关系数矩阵的特征值和特征向量，从中选择特征值大于等于1的特征值个数为公共因子数，或者根据因子对实验结果变量的累计贡献率大于80％来确定公共因子；

第五步，作因子旋转处理，采用方差最大正交旋转的方法以期使阳离子或阴离子中的四种因素变量与尽可能少的因子之间有密切的关系；

第六步，采用最小二乘法计算因子得分，得到各因子在体系中所占的权重。

2.根据权利要求1所述的一种简化多离子因素影响的钛合金表面改性摩擦实验设计方法，其特征在于，基于多种阴离子情况下，获取不同阳离子对涂层的稳定作用的均值，并以此作为根据来分析不同阳离子对涂层稳定的作用程度，不同阳离子的情况下，获取不同阴离子对摩擦系数影响的均值，并作为根据分析阴离子对摩擦体系的促抑规律。

3.根据权利要求1所述的一种简化多离子因素影响的钛合金表面改性摩擦实验设计方法，其特征在于，促抑规律为阳离子在摩擦体系中是会滑入交联涂层中，起到稳定涂层的作用；阴离子则是影响聚合物改性钛合金基底的摩擦特性，体现为摩擦系数的改变；由于阳离子和阴离子对摩擦体系的作用机理不同，因此需要分别考虑阳离子和阴离子对实验结果变量的影响均值。

4.根据权利要求1所述的一种简化多离子因素影响的钛合金表面改性摩擦实验设计方法，其特征在于，基于多种阴离子情况下，获取不同阳离子对涂层的稳定作用的均值，并以此作为根据来分析不同阳离子对涂层稳定的作用程度；基于多种阳离子情况下，获取不同阴离子对摩擦系数影响的均值，并以此作为根据分析阴离子对摩擦体系的促抑规律，包括：

在考虑所有阴离子的情况下，获得阳离子分别为Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺的涂层质量均值，计算式如下所示：

在考虑所有阳离子的情况下，获得阴离子分别为Cl^-、HCO₃ ^-、HPO₄ ^2-、SO₄ ^2-的摩擦系数均值，如下所示：

其中，CQ_j为不同阴离子情况下，阳离子对涂层稳定的作用均值；FC_i为不同阳离子情况下，阴离子改变摩擦系数的作用均值；CQ_ij表示阴离子为i，阳离子为j时涂层质量的均值，FC_ij表示阳离子为j，阴离子为i时摩擦系数的均值。

Images