基于SVR的碳基及其復(fù)合材料的物理性能研究.pdf

1、碳基及其復(fù)合材料由于具有優(yōu)異的電學(xué)性能，力學(xué)性能，熱學(xué)性能等特性而被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。雖然各型碳基材料已被深入研究且被廣泛應(yīng)用，但是不同因素對材料物理性能的影響并不都是非常清楚。實驗工藝參數(shù)或者分子結(jié)構(gòu)與材料的物理性能之間關(guān)系復(fù)雜，研究和認(rèn)識它們之間的規(guī)律性，對于準(zhǔn)確預(yù)測碳基材料物理性能具有十分重要的意義。在這樣的情況下，如果沒有一種可行的方法進(jìn)行指導(dǎo)，則需要大量的人力、物力、財力來進(jìn)行大量的實驗尋找合適的材料。如何合理的進(jìn)行實驗設(shè)計

2、，以及有效的分析實驗數(shù)據(jù)、減小實驗成本成為了不可回避的科學(xué)技術(shù)問題，因此建立一個穩(wěn)定的預(yù)測模型對具有優(yōu)異物理性能的材料的合成有著很大的幫助作用。
　　本論文利用支持向量回歸(SVR)理論，結(jié)合粒子群尋優(yōu)技術(shù)，對碳納米管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能，石墨烯/聚乳酸復(fù)合材料的力學(xué)性能，碳納米管吸附污染有機(jī)物的亨利常數(shù)，富勒烯在不同有機(jī)溶劑中溶解度進(jìn)行了建模分析研究，并將結(jié)果與其他多種回歸方法進(jìn)行了比較，同時還在已建立的SVR模型基礎(chǔ)上

3、進(jìn)行了因素分析、工藝參數(shù)優(yōu)化、統(tǒng)計偏差分析和靈敏度分析等。主要工作如下：
　　(1)以環(huán)氧樹脂體積分?jǐn)?shù)、復(fù)合薄膜長度和復(fù)合薄膜截面積作為輸入變量；以力學(xué)特征量拉伸強(qiáng)度、延伸率和彈性模量作為輸出變量，采用基于粒子群參數(shù)尋優(yōu)的支持向量回歸結(jié)合留一交叉法對15組碳納米管/環(huán)氧樹脂(CNTs/EP)復(fù)合材料樣本建立了力學(xué)性能的預(yù)測模型。預(yù)測結(jié)果表明表征CNTs/EP復(fù)合材料的三個力學(xué)量的平均絕對百分誤差(MAPE)分別為3.96％，3.1

4、4%和2.62%，相關(guān)系數(shù)R2分別高達(dá)0.991,0.990和0.997。SVR模型的預(yù)測值與實驗值非常一致，說明模型是有效的。因素分析顯示了實驗工藝參數(shù)對材料力學(xué)性能的影響變化趨勢，靈敏度顯示環(huán)氧樹脂體積分?jǐn)?shù)對抗拉強(qiáng)度影響最大，長度對延伸率和彈性模量影響最大。
　　(2)以石墨烯百分含量、溫度、實驗時間、攪拌速度作為輸入變量，以抗拉強(qiáng)度作為輸出變量，結(jié)合粒子群尋優(yōu)采用基于支持向量回歸的留一交叉法(SVR-LOOCV)對30個Gr

5、aphene/PLA納米復(fù)合材料樣本建立了抗拉強(qiáng)度的預(yù)測模型，并把預(yù)測結(jié)果與響應(yīng)曲面法(RSM)模型結(jié)果進(jìn)行了比較。留一法模型計算的抗拉強(qiáng)度的均方根誤差(RMSE),平均絕對誤差(MAE)和平均絕對百分誤差(MAPE)(0.276,0.167,0.295%)比 RSM模型計算的RMSE,MAE和MAPE(0.446,0.368,0.653%)都小，計算出的模型相關(guān)系數(shù)為0.99，比RSM模型的0.97大。因素分析和靈敏度顯示溫度對抗拉強(qiáng)

6、度的影響最大，同時得到最優(yōu)工藝參數(shù)：石墨烯百分含量為0.10%，溫度為170℃，時間為15min，攪拌速度為50rpm時，抗拉強(qiáng)度最大為61.63MPa，比實驗值大了20000Pa。
　　(3)以分子極化率和分子表面負(fù)靜電勢的平均值作為輸入變量，以亨利常數(shù)作為輸出變量，采用支持向量回歸并結(jié)合留一交叉法建立了碳納米管吸附35種揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)強(qiáng)度(亨利常數(shù)表示)的數(shù)學(xué)模型，并把模型的預(yù)測結(jié)果和理論線性溶解能關(guān)系(TLSER)

7、模型結(jié)果進(jìn)行了比較。留一法模型計算的亨利常數(shù)的RMSE,MAE和MAPE(0.080,0.056,1.19%)都比TLSER模型計算的RMSE,MAE和MAPE(0.507,0.375,9.15%)小，計算出的相關(guān)系數(shù)0.997比TLSER模型計算的0.874大。因素分析顯示2個分子描述符對亨利常數(shù)的影響顯著，分子表面負(fù)靜電勢影響更大。SVR模型和TLSER模型結(jié)果都認(rèn)為碳納米管對VOCs的吸附主要是范德華力和氫鍵相互作用的結(jié)果，最后簡

8、要解釋了碳納米管對有機(jī)物的吸附機(jī)理。
　　(4)以TI2、X1Sol、FDI和H-052作為輸入變量，以溶解度作為輸出變量，采用SVR-LOOCV結(jié)合粒子群優(yōu)化算法構(gòu)建了預(yù)測富勒烯 C60在各種有機(jī)溶劑中的溶解度的數(shù)學(xué)模型，并將預(yù)測結(jié)果與多元回歸分析(MLRA)模型進(jìn)行了比較。對于相同的訓(xùn)練集和測試集，SVR模型的測試誤差的 MAE(0.24)，MAPE(6.08%)和RMSE(0.32)都比MLRA模型的(0.29,7.36%,

9、0.36)小；相關(guān)系數(shù)0.940比MLRA模型的0.903大。對于留一法模型，計算的溶解度的MAE(0.023), MAPE(0.62%)，RMSE(0.045)比MLRA模型和SVR模型的都??；相關(guān)系數(shù)0.998比 MLRA模型的0.903和SVR模型的0.940都大。預(yù)測結(jié)果表明，C60的溶解度和有機(jī)溶劑的分子描述符之間的關(guān)系密切，留一法的預(yù)測值與實驗值非常一致。
　　基于粒子群尋優(yōu)的SVR模型較多元線性回歸、響應(yīng)曲面法、理論