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圖3 基于機(jī)器學(xué)習(xí)篩選的新型聚酰亞胺結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)合成與測(cè)試。

  在檢查所有假想聚酰亞胺材料的機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)的屈服強(qiáng)度、楊氏模型和玻璃轉(zhuǎn)化溫度時(shí)，其中一些可以被稱(chēng)為Pareto frontiers，這意味著在不降低其他性質(zhì)的情況下無(wú)法改善其中任何一個(gè)性質(zhì)。這組假設(shè)聚酰亞胺材料的Pareto frontiers定義了三個(gè)熱力學(xué)特性（屈服強(qiáng)度、楊氏模型和玻璃轉(zhuǎn)化溫度）的邊界。在假想的聚酰亞胺材料的Pareto frontiers中，選擇了三種表現(xiàn)最佳的假想聚酰亞胺材料（同時(shí)具有高屈服強(qiáng)度、楊氏模型和玻璃轉(zhuǎn)化溫度）。類(lèi)似地，基于所有真實(shí)聚酰亞胺材料的三個(gè)熱力學(xué)特性，可以確定一個(gè)新的Pareto frontiers，它定義了真實(shí)聚酰亞胺材料的性能邊界（如圖2所示）。圖2還展示了所有真實(shí)聚酰亞胺材料在三個(gè)平面上的投影。在每個(gè)平面上，二維Pareto frontiers更加直觀，楊氏模型-玻璃轉(zhuǎn)化溫度、楊氏模型-屈服強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度-玻璃轉(zhuǎn)化溫度的組合是三維設(shè)計(jì)空間中的特殊情況之一。當(dāng)從800萬(wàn)個(gè)假想的聚酰亞胺材料中發(fā)現(xiàn)的三種性能最佳的新型聚酰亞胺材料（用紅色星號(hào)表示），發(fā)現(xiàn)這些假想的聚酰亞胺材料超出了真實(shí)聚酰亞胺材料的Pareto frontiers，表明其性能更為優(yōu)越。它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)顯示在圖2的右側(cè)。與圖2左側(cè)Pareto邊界附近的三種真實(shí)聚酰亞胺的化學(xué)結(jié)構(gòu)相比，發(fā)現(xiàn)共同的結(jié)構(gòu)特征，如主鏈骨架中的芳香環(huán)和硫和氧之間的磺酰雙鍵。這種相似性表明了該機(jī)器學(xué)習(xí)模型在抓取關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的精確性。此外，影響聚酰亞胺熱力學(xué)性能的重要亞結(jié)構(gòu)包含在這些發(fā)現(xiàn)的新型聚酰亞胺中。它們位于真實(shí)聚酰亞胺設(shè)計(jì)空間的Pareto frontiers之外，表明高性能聚酰亞胺試驗(yàn)合成的可行性。如果基于更多的熱力學(xué)性能，7個(gè)性能屬性的雷達(dá)圖展示了三個(gè)高性能的假想的聚酰亞胺。就它們?cè)?/span>t-SNE化學(xué)空間中的位置而言，這三種新型聚酰亞胺接近真實(shí)聚酰亞胺。更重要是，這三個(gè)假想的聚酰亞胺具有超越其他真實(shí)聚酰亞胺材料的熱力學(xué)性能。

力學(xué)模擬與機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)的匹配程度，研究者對(duì)新型聚酰亞胺#2進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)合成和測(cè)試，以驗(yàn)證聚酰亞胺的性能。根據(jù)前述的反應(yīng)路線和反應(yīng)組分，從Sigma Aldrich購(gòu)買(mǎi)了所有所需的化學(xué)品。發(fā)現(xiàn)的聚酰亞胺#2的反應(yīng)組分是1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride (1,4,5,8 NTDA) and p-Phenylenediamine (p-PDA)。此外，甲酚或?qū)β缺椒颖挥糜谔岣叻磻?yīng)組分的溶解性，如圖3a所示。對(duì)甲酚（99%）由Thermo Fisher Scientific供應(yīng)。溶劑和1,4,5,8 NTDA未經(jīng)進(jìn)一步純化即可使用，而p-PDA在使用前在150°C下升華。一方面，盡管合成可行性分?jǐn)?shù)表明這些潛在的高性能聚合物的合成是可行的，但仍然很難找到優(yōu)秀的溶劑來(lái)溶解反應(yīng)物；另一方面，力學(xué)測(cè)試需要更多樣品，并進(jìn)一步加工成狗骨樣本。因此，試驗(yàn)中著重測(cè)量聚酰亞胺的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。在合成的反應(yīng)中，將1,4,5,8 NTDA 1.00克、p-PDA 0.403克和對(duì)氯苯酚50.0克加入干燥的兩頸瓶中，并裝備有磁力攪拌器，然后轉(zhuǎn)移到加熱到240°C的油浴中。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溶液的顏色從棕色變?yōu)樯罴t色，最終變?yōu)榘底仙�。為了確保整個(gè)聚合過(guò)程中的惰性條件，反應(yīng)在氮?dú)饩徛鲃?dòng)下進(jìn)行回流。經(jīng)過(guò)15小時(shí)，反應(yīng)混合物冷卻至室溫，并在8000轉(zhuǎn)/分鐘的離心機(jī)中離心，以分離聚合物沉淀物。隨后，將殘?jiān)?/span>50°C的對(duì)氯苯酚中攪拌，然后再次離心以去除未反應(yīng)的單體。最后，將聚合物在240°C的真空烘箱中烘干24小時(shí)。對(duì)于在對(duì)甲酚中采用類(lèi)似的聚合反應(yīng)。其產(chǎn)率為：對(duì)氯苯酚反應(yīng)為34.0%，對(duì)甲酚反應(yīng)為31.8%。圖3c展示了聚酰亞胺#2的樣品，產(chǎn)物在反應(yīng)中約20分鐘沉淀，導(dǎo)致最終樣品的低分子量。最后使用差示掃描量熱法（DSC）和熱重分析（TGA）測(cè)試了熱性能。DSC實(shí)驗(yàn)在Discovery DSC2500上進(jìn)行，溫度范圍為20-400攝氏度，升溫速率為10攝氏度/分鐘或50攝氏度/分鐘。TGA實(shí)驗(yàn)在Discovery TGA5500熱重分析儀上進(jìn)行，溫度范圍為30-1000攝氏度，升溫速率為10攝氏度/分鐘。圖3d展示了TGA實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到熱分解溫度為550攝氏度，與ML模型預(yù)測(cè)的536攝氏度吻合較好。測(cè)試的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為275攝氏度，低于ML模型預(yù)測(cè)的383攝氏度，這是由于較低的聚合物的分子量�；�Fox和Loshaek提出的經(jīng)驗(yàn)方程，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度誰(shuí)分子量或交聯(lián)度的較小而降低。通過(guò)進(jìn)一步的分子動(dòng)力學(xué)模擬，對(duì)不同分子量的模型進(jìn)行了玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為性能擬合，如圖3b所示，結(jié)果符合Fox和Loshaek方程。當(dāng)ML模型預(yù)測(cè)的玻璃轉(zhuǎn)變溫度趨近于非常高的分子量極限時(shí)，實(shí)際樣品的分子量或交聯(lián)度會(huì)顯著影響其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。圖3e展示了從DSC實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步測(cè)得的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為值，得到了類(lèi)似的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為響應(yīng)值，為275攝氏度。

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894723016807

  Dr. Ying Li是威斯康星大學(xué)麥迪遜分校機(jī)械工程副教授。目前的研究方向是：多尺度建模、計(jì)算材料設(shè)計(jì)、聚合物力學(xué)與物理、機(jī)器學(xué)習(xí)加速聚合物設(shè)計(jì)等方向。該課題組長(zhǎng)期招收博士和博士后若干。感興趣的請(qǐng)直接郵件聯(lián)系Dr. Ying Li, yli2562@wisc.edu.

【博士招生要求】

1. 在工程力學(xué)、土木、材料、機(jī)械、化學(xué)或相關(guān)的領(lǐng)域具有本科或碩士學(xué)位。

2. 對(duì)MATLAB、Fortran、C/C++ 或 Python 的編程技能熟悉或者感興趣。

3. 對(duì)分子動(dòng)力學(xué)模擬、有限元分析以及機(jī)器學(xué)習(xí)熟悉或者感興趣。

4. 計(jì)算材料科學(xué)和聚合物物理學(xué)的廣泛知識(shí)將是一個(gè)加分項(xiàng)。

【博士后招收要求】

1、所需學(xué)位：力學(xué)，化學(xué)，機(jī)械或土木，材料，凝聚態(tài)物理或計(jì)算化學(xué)的博士學(xué)位

2、熟悉或者感興趣的方向：(1) 多尺度建模，如分子動(dòng)力學(xué)、粗粒度技術(shù)和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)等; (2) 計(jì)算材料和高分子物理領(lǐng)域; (3) 在多物理場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行計(jì)算分析; (4) 高分子物理 -- 固態(tài)力學(xué); (5)聚合物或其復(fù)合材料的本構(gòu)模型; (6) 機(jī)器學(xué)習(xí)及其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。其中熟悉機(jī)器學(xué)習(xí)將是一個(gè)加分項(xiàng)。