ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ НЕЙРОСЕТЕЙ ДЛЯ УТОЧНЕНИЯ И АНАЛИЗА РЕЗУЛЬТАТОВ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ ДИСПЕРСНО НАПОЛНЕННЫХ ЭЛАСТОМЕРОВ (КОНТАКТНЫЙ И ПОЛУКОНТАКТНЫЙ РЕЖИМЫ)

Сведения об авторах
  • Институт механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук, Пермь, Российская Федерация
  • Институт механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук, Пермь, Российская Федерация

Аннотация

Предложено два новых варианта применения искусственных нейронных сетей для расшифровки и углубленного анализа результатов сканирования поверхности эластомерных нанокомпозитов с помощью атомно-силовой микроскопии (контактный и полуконтактный режимы). Основное преимущество данного подхода состоит в том, что он позволяет исследовать локальные механические свойства материала не только на поверхности образца, но и в приповерхностном слое. В случае контактного режима работы атомно-силового микроскопа искусственная нейросеть создавалась и «обучалась» на основе компьютерной базы данных по численному моделированию процесса вдавливания зонда атомно-силового микроскопа в нелинейную гиперупругую среду с жесткими сферическими включениями («контактная нейросеть»). Эта база содержала результаты расчетов кривых индентирования при различных значениях размеров частиц наполнителя и их локализации в приповерхностном слое материала (глубина и горизонтальное удаление от вершины зонда). Использование такой нейросети позволило на несколько порядков ускорить процесс построения индентационных кривых по сравнению с обычными методами, основанными на численном решении соответствующих краевых задач для каждого конкретного случая. В результате значительно уменьшаются и компьютерные затраты, следовательно, при наличии уже построенной и «обученной» нейросети не нужны мощные и скоростные компьютеры. При полуконтактном режиме нейросеть строилась на основе реальных сканов рельефа и фазы сдвига колебаний кантилевера зонда, полученных на образцах из дисперсно наполненного эластомера («полуконтактная нейросеть»). Показано, что с ее помощью можно достаточно точно предсказать, как будут выглядеть результаты полуконтактного сканирования при увеличении максимальной величины вдавливания зонда (то есть при более глубоком исследовании приповерхностного слоя). Далее эти модифицированные сканы предполагается использовать как основу для анализа приповерхностных слоев с помощью контактной нейросети.

Ключевые слова

искусственные нейронные сетиконтактный и полуконтактный методы атомно-силовой микроскопииэластомерный нанокомпозитнелинейно упругие материалыконечные деформации.

Литература

  1. 1.Roy, K. critical review on the utilization of various rein- forcemen t modifiers in filled rubber composites / K. Roy, S.C. Debnath, P.A. Potiyaraj // Journal of Elastomers and Plastics. – 2019. – Vol. 52, no. 2. – P. 167–193. DOI: 10.1177/0095244319835869 Scholar
  2. 2.Shadrinov, N.V. Structure and properties of nitrile-butadi- ene rubber filled with carbon and basalt fibers / N.V. Shadrinov, S.I. Nartakhova // Inorganic Materials: Applied Research. – 2017. – Vol. 8, no. 1. – P. 140–144. DOI: 10.1134/S207511331701035X Scholar
  3. 3.Mechanical properties of silicon carbon black filled natural rubber elastomer / M. Qian, J. Sui, X. Wang, Y. Zhu // Chemical Research in Chinese Universities. – 2019. – Vol. 35. – P. 139–145. DOI: 10.1007/s40242-019-8289-0 Scholar
  4. 4.Quantifying 3D-nanosized dispersion of SiO2 in elastomer nanocomposites by 3D-scanning transmission electron microscope (STEM) / X. Li, Q. Yang, Y. Ye, L. Zhang, S. Hong, N. Ning, M. Tian // Composites Part A. – 2020. – Vol. 131. – 105778. – P. 1–6. DOI: 10.1016/j.compositesa.2020.105778 Scholar
  5. 5.Bound rubber morphology and loss tangent properties of carbon-black-filled rubber compounds / D. Gabriel, A. Karbach, D. Drechsler, J. Gutmann, K. Graf, S. Kheirandish // Colloid and Polymer Sci. – 2016. – Vol. 294. – P. 501–511. DOI: 10.1007/s00396-015-3802-6 Scholar
  6. 6.Interphase mechanical behavior of carbon fiber reinforced polymer exposed to cyclic loading / D.P. Cole, T.C. Henry, F. Gardea, R.A. Haynes // Composites Science and Technology. – 2017. – Vol. 151. – P. 202–210. DOI: 10.1016/j.compscitech.2017.08.012 Scholar
  7. 7.Чвалун, С.Н. Полимерные нанокомпозиты / С.Н. Чва- лун // Природа. – 2000. – № 7. – С. 22–30. Scholar
  8. 8.Butt, H.-J. Force measurements with the atomic force mi- croscope: Technique, interpretation and applications / H.-J. Butt, B. Capella, M. Kappl // Surface Science Reports. – 2005. – Vol. 59. – P. 1–152. DOI: 10.1016/j.surfrep.2005.08.003 Scholar
  9. 9.Modeling of dynamic-mechanical behavior of reinforced elastomers using a multiscale approach / I. Ivaneiko, V. Toshche- vikov, M. Saphiiannikova, K.W. Stockelhuber, F. Petry, S. Wester- mann, G. Heinrich // Polymer. – 2016. – Vol. 82. – P. 356–365. DOI: 10.1016/j.polymer.2015.11.039 Scholar
  10. 10.Diameter-dependent elastic properties of carbon nano- tube-polymer composites: Emergence of size effects from atomis- tic-scale simulations / M. Malagu, M. Goudarzi, A. Lyulin, E. Benvenuti, A. Simone // Composites: Part B. – 2017. – Vol. 131. – P. 260–281. DOI: 10.1016/j.compositesb.2017.07.029 Scholar

Другие статьи выпуска

Весь выпуск (№ 3, 2025)
Скачать PDF

Информация о статье

Опубликована
08.09.2025
В выпуске
08.09.2025
Выпуск
№ 3 (2025)
Поделиться