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AI輔助高分子材料研發(fā)平臺開啟聚合物材料研發(fā)新領(lǐng)域
2024-05-11
技術(shù)中心

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行業(yè)需求

      傳統(tǒng)的化工行業(yè)如高分子材料研發(fā)面臨著研發(fā)周期長、實(shí)驗(yàn)成本高、材料結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系復(fù)雜,以及市場需求動態(tài)變化等痛點(diǎn)。數(shù)字化轉(zhuǎn)型通過引入人工智能和計(jì)算建模等先進(jìn)技術(shù),為行業(yè)變革提供動力。這些工具可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)加速創(chuàng)新,從而縮短研發(fā)周期。數(shù)字化轉(zhuǎn)型帶來的數(shù)據(jù)分析能力可以從大量數(shù)據(jù)挖掘潛在規(guī)律來增強(qiáng)決策從而降低新材料的研發(fā)風(fēng)險。從本質(zhì)上講,傳統(tǒng)化工行業(yè)(尤其是聚合物材料研發(fā)領(lǐng)域)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的緊迫性在于縮短研發(fā)周期,提高發(fā)現(xiàn)目標(biāo)材料的效率,并在快速發(fā)展的全球格局中確保競爭力。

      由于高分子材料的特性源于不同空間和時間尺度上的相互作用,導(dǎo)致高分子材料的開發(fā)需要對其多級結(jié)構(gòu)和行為具備極深的理解,而目前高分子模擬仿真缺少自動化建模工具,現(xiàn)有建模手段通常需要手動完成,效率低下并且依賴于個人經(jīng)驗(yàn),且適用于簡單體系,難以處理支化交聯(lián)并且包含多種單體的高分子材料,難以兼顧模擬尺度和精度。

      因此,復(fù)雜高分子體系的研發(fā),迫切需要一款能覆蓋“單體-長鏈分子-聚合物”等多尺度的模擬仿真能力的強(qiáng)有力工具。

聚合物結(jié)構(gòu)與性能預(yù)測:

預(yù)期目標(biāo)

      需要研發(fā)滿足某特定功能的新高分子材料時,可以利用性能預(yù)測模型快速篩選出具備潛力的單體分子。再利用分子量分布預(yù)測方法評估該單體在給定聚合條件下得到的分子量分布,然后基于單體、分子鏈和反應(yīng)條件進(jìn)行更準(zhǔn)確的性能預(yù)測,如果滿足需求則進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,從而顯著的縮小需要搜索的化學(xué)空間。最后利用工藝優(yōu)化算法確定最優(yōu)的合成條件從而完成單體-結(jié)構(gòu)-合成條件的研發(fā)流程。

案例1展示:

      左圖為某類高分子材料斷裂伸長率預(yù)測結(jié)果(R2=0.96),右圖為斷裂強(qiáng)度預(yù)測結(jié)果(R2=0.90)(數(shù)據(jù)已進(jìn)行脫密處理)。

案例2展示:

      上圖為某類高分子材料聚合后數(shù)均分子量(線性相關(guān)系數(shù)為0.98)預(yù)測結(jié)果,即使對聚合體系進(jìn)行了等比例縮小,預(yù)測值和實(shí)驗(yàn)值仍然具有良好的線性相關(guān)性(數(shù)據(jù)已進(jìn)行脫密處理)。

創(chuàng)新性

     目前常規(guī)的高分子材料方法依賴于實(shí)驗(yàn)試錯法,即使通過將量化計(jì)算方法、計(jì)算機(jī)建模和人工智能結(jié)合起來,開發(fā)了高分子材料研發(fā)平臺,覆蓋單體分子篩選,聚合后分子量預(yù)測,力學(xué)性能預(yù)測和工藝優(yōu)化等環(huán)節(jié),填補(bǔ)了高分子研發(fā)工具的空白。

      目前,高分子材料在國防航天、電子工業(yè)、汽車工業(yè)、建筑行業(yè)等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,已經(jīng)成為人類生產(chǎn)和生活中重要的一部分。而我們開發(fā)的AI輔助研發(fā)平臺覆蓋了分子-結(jié)構(gòu)-工藝-性能四個主要模塊,具有較好的普適性。目前該平臺目標(biāo)以滿足高分子纖維研發(fā)為主導(dǎo)同時兼顧橡膠和塑料等高分子材料,在同行業(yè)中具備可推廣性。

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