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陳龍慶/蘇元捷等Adv. Sci.: 高通量相場模擬+機器學(xué)習(xí)優(yōu)化壓電納米復(fù)合材料

陳龍慶/蘇元捷等Adv. Sci.: 高通量相場模擬+機器學(xué)習(xí)優(yōu)化壓電納米復(fù)合材料
在聚合物基體中加入氧化物填料的壓電納米復(fù)合材料結(jié)合了氧化物的高壓電響應(yīng)和聚合物的柔韌性及生物相容性的優(yōu)點,了解材料選擇和填料-基體結(jié)構(gòu)的作用對于實現(xiàn)復(fù)合材料在柔性電子和能量收集設(shè)備中所需的功能至關(guān)重要。
陳龍慶/蘇元捷等Adv. Sci.: 高通量相場模擬+機器學(xué)習(xí)優(yōu)化壓電納米復(fù)合材料
在此,電子科技大學(xué)蘇元捷研究員、康昭副教授聯(lián)合美國賓夕法尼亞州立大學(xué)陳龍慶教授、楊天南以及浙江大學(xué)洪子健研究員等人采用高通量相場模擬和機器學(xué)習(xí)(ML)相結(jié)合的方法,探索了填充材料和復(fù)合結(jié)構(gòu)在確定氧化物-聚合物納米復(fù)合材料的壓電、機械和介電性能中的作用。
相場模擬結(jié)果表明,在體積分?jǐn)?shù)不變的情況下,壓電系數(shù)和介電常數(shù)隨著填料的深度與寬度比(DR)的增加而單調(diào)增加,而機械柔量則遵循相反的趨勢。在所探索的400組氧化物填料的幾何構(gòu)型中,具有垂直于薄膜平面的納米柱的1~3種復(fù)合材料表現(xiàn)出最大的壓電系數(shù)、介電常數(shù)和機械剛度。此外,品質(zhì)因數(shù)的進(jìn)一步計算和回歸分析驗證了納米柱的填料結(jié)構(gòu)可同時保持高性能柔性復(fù)合材料的最佳壓電和機械性能。
陳龍慶/蘇元捷等Adv. Sci.: 高通量相場模擬+機器學(xué)習(xí)優(yōu)化壓電納米復(fù)合材料
圖1. 納米復(fù)合材料整個數(shù)據(jù)集的高通量相場模擬結(jié)果
作者提出了一種ML策略來建立解析表達(dá)式,以預(yù)測使用各種填充材料在不同體積分?jǐn)?shù)下制備的PVA-聚合物納米復(fù)合材料的有效壓電性能。根據(jù)回歸分析的操作場景,作者選擇了納米填料的三個特性,即介電常數(shù)、壓電系數(shù)和彈性剛度作為ML指紋的變量。
研究表明,復(fù)合材料的壓電響應(yīng)取決于多種因素,可以通過增加陶瓷填料的比壓電系數(shù)、降低介電常數(shù)和比彈性剛度來增強復(fù)合材料的壓電響應(yīng)。此外,對基于PVDF基體的壓電復(fù)合材料進(jìn)行的相場模擬結(jié)果表明,本研究的結(jié)論可以進(jìn)一步推廣到其他聚合物-陶瓷壓電復(fù)合材料。
因此,這項工作不僅揭示了壓電聚合物納米復(fù)合材料的基本機制,而且為優(yōu)化用于柔性電子和能量收集設(shè)備的復(fù)合材料壓電性能提供了一種創(chuàng)新方法。
陳龍慶/蘇元捷等Adv. Sci.: 高通量相場模擬+機器學(xué)習(xí)優(yōu)化壓電納米復(fù)合材料
圖2. ML預(yù)測結(jié)果與相場模擬結(jié)果的比較
Optimizing Piezoelectric Nanocomposites by High-Throughput Phase-Field Simulation and Machine Learning, Advanced Science 2022. DOI: 10.1002/advs.202105550

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