Convolutional neural networks for approximating electrical and thermal conductivities of Cu-CNT composites

复合材料 热的 卷积神经网络 材料科学 热导率 计算机科学 人工智能 物理 气象学
作者
Faizan Ejaz,Leslie K. Hwang,Jangyup Son,Jinsang Kim,Dong Su Lee,Beomjin Kwon
出处
期刊:Scientific Reports [Springer Nature]
卷期号:12 (1) 被引量:12
标识
DOI:10.1038/s41598-022-16867-z
摘要

Abstract This article explores the deep learning approach towards approximating the effective electrical and thermal conductivities of copper (Cu)-carbon nanotube (CNT) composites with CNTs aligned to the field direction. Convolutional neural networks (CNN) are trained to map the two-dimensional images of stochastic Cu-CNT networks to corresponding conductivities. The CNN model learns to estimate the Cu-CNT composite conductivities for various CNT volume fractions, interfacial electrical resistances, R c = 20 Ω–20 kΩ, and interfacial thermal resistances, R ″ t,c = 10 −10 –10 −7 m 2 K/W. For training the CNNs, the hyperparameters such as learning rate, minibatch size, and hidden layer neurons are optimized. Without iteratively solving the physical governing equations, the trained CNN model approximates the electrical and thermal conductivities within a second with the coefficient of determination ( R 2 ) greater than 98%, which may take longer than 100 min for a convectional numerical simulation. This work demonstrates the potential of the deep learning surrogate model for the complex transport processes in composite materials.
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