來源|Thermal Science and Engineering Progress

01背景介紹

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的有效導(dǎo)熱系數(shù)取決于許多變量，包括不同相的固有特性、微觀結(jié)構(gòu)和不同相之間的界面。建模方法，包括理論和仿真方法，是理解這些因素對復(fù)合材料性能影響的有力工具。特別是，仿真模型能夠解決需要昂貴、耗時和難以重現(xiàn)的實驗過程的情況。此外，大型的微觀結(jié)構(gòu)和性能模擬數(shù)據(jù)集可以豐富有限的實驗數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的復(fù)合材料設(shè)計。

滲透路徑以及復(fù)合材料的組分和界面性質(zhì)決定了復(fù)合材料的輸運(yùn)性質(zhì)。滲流理論與區(qū)域內(nèi)截斷網(wǎng)絡(luò)的形成有關(guān)，這有利于熱通量通過遠(yuǎn)程連通性轉(zhuǎn)移。根據(jù)實驗觀察，當(dāng)顆粒體積分?jǐn)?shù)超過一定值時，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的有效導(dǎo)熱系數(shù)急劇增加。這是復(fù)合結(jié)構(gòu)中形成滲透路徑的點，稱為滲透閾值。換句話說，根據(jù)實驗和數(shù)值研究的觀察結(jié)果，有效導(dǎo)熱系數(shù)隨顆粒含量增加的增強(qiáng)是非線性的。

蒙特卡羅模擬是一種眾所周知的理論預(yù)測隨機(jī)或均勻分布結(jié)構(gòu)中滲透閾值的策略，在以往對不同孔隙形狀、顆粒形狀和縱橫比的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研究中得到了廣泛應(yīng)用。在某些情況下，有效導(dǎo)熱系數(shù)的顯著增強(qiáng)并不會隨著高導(dǎo)熱系數(shù)顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加而發(fā)生。此外，滲流路徑受到界面熱阻的強(qiáng)烈影響，而界面熱阻來源于該區(qū)域的界面聲子散射。因此，在計算有效導(dǎo)熱系數(shù)時，必須同時考慮界面熱阻和滲流的發(fā)生。

對于復(fù)合材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)的預(yù)測，已有幾種解析和數(shù)值方法。分析方法如Maxwell和Bruggeman模型，易于使用，但不考慮復(fù)合材料中材料分布的細(xì)節(jié)。相比之下，基于求解偏微分方程(PDE)的數(shù)值方法，如有限元法(FEM)，能夠考慮復(fù)合材料中顆粒的形態(tài)和分布，但計算成本非常高。

隨著機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)技術(shù)的最新進(jìn)展，人們對開發(fā)代理模型來解決基于數(shù)據(jù)分析的工程問題越來越感興趣。機(jī)器學(xué)習(xí)作為數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的一個子類，為材料研究界設(shè)計和發(fā)現(xiàn)新材料打開了一扇新的大門。事實上，數(shù)據(jù)驅(qū)動分析使用強(qiáng)大而有前途的工具來揭示數(shù)據(jù)中的隱含相關(guān)性，為此發(fā)展可以通過使用各種ML模型進(jìn)一步模擬預(yù)測關(guān)于復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)是非常重要的。

02

成果掠影

近期，

德國達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)的Mozhdeh Fathidoost團(tuán)隊在通過機(jī)器學(xué)習(xí)建立模型講材料的參數(shù)與有效導(dǎo)熱系數(shù)的響應(yīng)聯(lián)系起來取得新進(jìn)展。

該論文旨在探討復(fù)合材料組分的不同熱參數(shù)和幾何參數(shù)、界面阻力和滲透路徑對復(fù)合材料有效導(dǎo)熱系數(shù)的影響。以及不同特性對目標(biāo)有效導(dǎo)熱系數(shù)的重要性。本研究的其他次要目標(biāo)是建立替代模型，將復(fù)合材料樣品的輸入?yún)?shù)與有效導(dǎo)熱系數(shù)響應(yīng)關(guān)聯(lián)起來，以及訓(xùn)練一個基于滲透路徑存在的微觀結(jié)構(gòu)分類模型。通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的熱滲透分析，闡明了各種特性對復(fù)雜三維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有效導(dǎo)熱系數(shù)的影響。這些特征包括復(fù)合材料成分的熱學(xué)和幾何性質(zhì)、界面阻力和滲透路徑的存在。生成了一系列具有不同特征的體素微觀結(jié)構(gòu)樣本。使用基于擴(kuò)散界面的均勻化方法計算評估了它們的有效導(dǎo)熱系數(shù)。采用基于體素的算法識別結(jié)構(gòu)中潛在的滲透路徑。均質(zhì)化結(jié)果表明，在高縱橫比和界面阻力的復(fù)合樣品中，滲透路徑的影響尤為顯著。利用數(shù)據(jù)驅(qū)動的靈敏度研究分析了不同的熱特征和幾何特征對有效導(dǎo)熱系數(shù)的重要性。分析還表明，顆粒體積分?jǐn)?shù)和界面熱阻是決定有效導(dǎo)熱系數(shù)的最重要特征。最后，采用基于代理的分類模型，可以以93%的準(zhǔn)確率區(qū)分有和沒有滲透的微觀結(jié)構(gòu)。

研究成果以“Data-driven thermal and percolation analyses of 3D composite structures with interface resistance”為題發(fā)表于《Materials & Design》。

03圖文導(dǎo)讀

圖1.基于參數(shù)化微觀結(jié)構(gòu)的熱滲流分析工作流程。

圖2.(a)表示數(shù)據(jù)驅(qū)動分析的樹狀圖;(b)數(shù)據(jù)集中選定幾何圖形的說明，用于數(shù)據(jù)分析。

圖3.不同RVE邊緣長度(25-150 nm)的RVE收斂測試。

圖4.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中熱通量的大小示意圖。

圖5.熱滲流閾值的模擬。

圖6.不同體積分?jǐn)?shù)材料的性能變化趨勢示意圖。

圖7.ML模型預(yù)測的keff值與熱均勻化模擬結(jié)果的散點圖。

圖8.(a)排列重要性法和(b) Pearson系數(shù)法得到的SA結(jié)果;(c)用DT替代模型對微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。

審核編輯：湯梓紅