Проектирование легкого стекла для эффективных автомобилей и ветряных турбин

Новый алгоритм машинного обучения для изучения легких, очень жестких композиций стекла может помочь в разработке материалов нового поколения для более эффективных автомобилей и ветряных турбин.

Стекло может усиливать полимеры для создания композитных материалов, обладающих такой же прочностью, как и металлы, но с меньшим весом.

Композитные материалы из стекла

Лян Ци (Liang Qi), профессор материаловедения и инженерии в U-M (Мичиганский университет), ответил на вопросы о новой работе его группы в npj Computational Materials.

Что такое эластичная жесткость? Эластичность и стекло, противоречащие друг другу слова, которые совместились.

Все твердые материалы, включая стекло, обладают свойством, называемым упругой жесткостью, также известным как модуль упругости. Это мера того, какое усилие на единицу площади необходимо для того, чтобы заставить материал изгибаться или растягиваться. Если это изменение является эластичным, материал может полностью восстановить свою первоначальную форму и размер, как только вы остановите силу.

Зачем нужны легкие и очень жесткие очки?

Эластичная жесткость очень важна для любых материалов, применяемых в конструкциях. Более высокая жесткость означает, что с более тонким материалом вы сможете выдержать такую же силовую нагрузку. Например, структурное стекло в автомобильных ветровых стеклах, а также в сенсорных экранах смартфонов и других экранов можно сделать тоньше и легче, если стекла более жесткие. Композиты из стекловолокна широко используются в качестве легких материалов для легковых автомобилей, грузовиков и ветряных турбин, и мы можем сделать эти детали еще более легкими.

По данным Управления по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии (U.S. Office of Energy Efficiency and Renewable Energy), более легкие автомобили могут двигаться дальше на литре бензина - на 6-8 % при десятипроцентном снижения веса. Снижение веса также может значительно расширить ассортимент электромобилей.

Более легкое и жесткое стекло может позволить лопастям ветряной турбины более эффективно передавать энергию ветра в электричество, так как меньше энергии ветра "тратится" впустую, чтобы заставить лопасти вращаться. Это также может позволить создавать более длинные лопасти ветряных турбин, которые могут генерировать больше электроэнергии при той же скорости ветра.

С какими трудностями приходится сталкиваться при разработке легких, но эластичных стекол?

Поскольку стекла являются аморфными или неупорядоченными материалами, трудно предсказать их атомистическую структуру и соответствующие физические/химические свойства. Мы используем компьютерное моделирование, чтобы ускорить изучение стекол, но это требуют столько вычислительного времени, что невозможно исследовать каждый возможный состав стекла.

Другая проблема заключается в том, что мы не располагаем достаточными данными о составах стекла для машинного обучения, чтобы быть эффективными при предсказании свойств стекла для новых составов. Алгоритмы машинного обучения получают данные, и они находят в них закономерности, которые позволяют им делать прогнозы. Но без достаточных данных, полученных в ходе обучения, их предсказания не являются достоверными - точно так же, как и политические опросы, проведенные в Огайо, не могут предсказать выборы в Мичигане.

Как вы преодолели эти барьеры?

Во-первых, мы использовали существующие высокопроизводительные компьютерные симуляции для получения данных о плотности и упругой жесткости различных стекол. Во-вторых, мы разработали модель машинного обучения, которая больше подходит для небольшого объема данных, так как по стандартам машинного обучения у нас все еще не было большого объема данных. Мы спроектировали ее таким образом, что главное, на что она обращает внимание - это сила взаимодействия между атомами. По сути, мы использовали физику, чтобы дать ей подсказки о том, что важно в данных, и это улучшает качество ее предсказаний для новых композиций.

Что может сделать ваша модель?

Пока мы обучали нашу модель машинного обучения работе со стеклами из диоксида кремния и одной или двум другим добавкам, мы обнаружили, что она может точно предсказать легкость и эластичную жесткость более сложных стекол, с более чем десятью различными компонентами. Она может рассчитывать до 100 000 различных композиций одновременно.

Каковы следующие шаги?

Легкость и эластичная жесткость - это только два свойства, которые важны при проектировании стекол. Нам также необходимо знать их прочность, вязкость и температуру плавления. Откровенно делясь своими данными и методами, мы надеемся вдохновить на разработку новых моделей  других исследователей стекла. опубликовано econet.ru по материалам techxplore.com

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet