中國科學技術大學《自然·通訊》 利用機器學習實現3D雙相復合材料抗斷裂設計新突破
中國科學技術大學(以下簡稱“中國科大”)的研究團隊在《自然·通訊》(Nature Communications)上發表了一項重要研究成果,題為“Machine learning-accelerated design of 3D two-phase composites with enhanced fracture resistance”。該研究創新性地將機器學習(Machine Learning, ML)與有限元模擬相結合,實現了對三維雙相復合材料抗斷裂性能的高效優化設計,為先進復合材料的研發開辟了新的路徑。
雙相復合材料(如陶瓷基復合材料、金屬-陶瓷復合材料等)因其優異的力學性能、耐高溫和抗腐蝕特性,被廣泛應用于航空航天、能源和生物醫學等領域。這類材料的斷裂行為高度依賴于其微觀結構特征(如相分布、顆粒形狀和體積分數),傳統的實驗試錯和數值模擬方法往往耗時耗力,且難以在廣闊的設計空間中找到最優解。
針對這一挑戰,中國科大研究團隊提出了一種基于機器學習的數據驅動設計框架。該框架首先通過大量有限元模擬(FEM)計算了不同微觀結構的三維雙相復合材料在載荷作用下的斷裂響應,構建了包含數千個樣本的結構-性能數據庫。團隊采用深度神經網絡(DNN)和高斯過程回歸(GPR)等機器學習模型,建立了從微觀結構特征到宏觀斷裂韌性(如臨界能量釋放率)的快速預測模型。該模型能夠在幾秒內準確預測新結構的抗斷裂性能,而傳統FEM模擬可能需要數小時甚至數天。
進一步地,研究人員將機器學習模型與多目標遺傳算法(NSGA-II)相結合,主動搜索在保持高剛度的同時最大化斷裂韌性的微觀結構。優化結果顯示,與初始隨機結構相比,設計的雙相復合材料抗斷裂性能提升了約120%。特別值得注意的是,機器學習模型還揭示了此前未被充分認識的微觀結構-韌性關聯:例如,較小且均勻分布的硬相顆粒能有效偏轉裂紋,而適度的軟相連通性有助于分散應力集中,從而協同提升材料的抗斷裂能力。
該研究的第一作者表示:“我們的方法不僅大幅降低了計算成本,更重要的是能夠發現傳統直覺難以捕捉的最優結構模式。機器學習在這里起到了‘加速器’和‘發現引擎’的雙重作用。”通訊作者補充說,該框架具有高度的通用性,可擴展至其他多相材料體系(如三相復合材料、多孔材料)以及非斷裂性能(如導熱、導電)的優化設計。
《自然·通訊》的審稿人評價稱:“這項工作巧妙地將數據科學與材料力學相結合,為解決復合材料設計中的高維優化問題提供了有力工具,有望推動增材制造領域實現‘按需設計’的微觀結構。”
這項研究得到了國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項等項目的支持。中國科大團隊表示,未來將進一步融合實驗驗證與主動學習策略,縮短從計算設計到實際制造的周期,加速高性能復合材料的工程應用。
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更新時間:2026-10-18 20:53:18