基于支持向量回歸的碳基材料物性及其制備工藝優(yōu)化研究.pdf

1、在當(dāng)今礦產(chǎn)資源越來越少、開采越來越難和生活對材料要求越來越高的條件下，人工合成新型材料取代天然材料成為一種必然趨勢。新型碳基合成材料在人工合成材料中扮演了重要的角色。由于其優(yōu)異的電學(xué)性能，力學(xué)性能，熱學(xué)性能等特性而被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。雖然各型碳基材料已被深入研究且被廣泛應(yīng)用，但是其合成機(jī)理并不都是非常清楚。在這樣的情況下，建立一個(gè)穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯刂撇牧系暮铣捎兄艽蟮膸椭饔谩１疚闹饕獙伪谔技{米管半徑，產(chǎn)量和CVD沉積類金剛石碳膜

2、／金剛石薄膜硬度，結(jié)晶度進(jìn)行了合成工藝等方面的建模優(yōu)化研究，研究步驟如下：（1）收集相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并建模。（2）對所建模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn)。（3）分析模型所揭示的相關(guān)規(guī)律。
　　本文建模理論為結(jié)合粒子群尋優(yōu)的支持向量回歸原理。主要工作如下：
　?。?）電弧法合成碳納米管的管徑與合成工藝關(guān)系
　　在電弧法合成碳納米管的實(shí)驗(yàn)中，人們發(fā)現(xiàn)，所制備的碳納米管的管徑主要受到氣壓強(qiáng)度、電流強(qiáng)度、催化劑、緩沖氣體種類等實(shí)驗(yàn)參數(shù)的影響。

3、我們以上述主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)為自變量，以碳納米管半徑為因變量進(jìn)行了SVR建模研究，找到了自變量與因變量之間的關(guān)系并以三維圖像展示。為了進(jìn)一步驗(yàn)證所建SVR模型的準(zhǔn)確性，應(yīng)用未參與建模的檢驗(yàn)樣本對模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，所建SVR模型預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，所建SVR模型預(yù)測的平均絕對百分誤差3.98％均優(yōu)于文獻(xiàn)報(bào)道的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)和多元非線性回歸方法(MNR)的預(yù)測結(jié)果(分別為17.12%和14.9%)。同時(shí)利用所建SVR模型計(jì)算了管

4、徑對各工藝參數(shù)的靈敏度，發(fā)現(xiàn)，對管徑的影響最敏感的兩因素是壓強(qiáng)和電流強(qiáng)度。
　?。?）催化裂解甲烷合成碳納米管的產(chǎn)量及工藝優(yōu)化
　　對Co-Mo/Al2O3催化裂解甲烷合成碳納米管(Carbon Nanotubes，CNT)工藝參數(shù)與產(chǎn)量之間的關(guān)系進(jìn)行了建模與工藝優(yōu)化研究。利用所建SVR模型對10個(gè)測試樣本預(yù)測的平均絕對百分誤差1.85%優(yōu)于傳統(tǒng)多元非線性回歸(Multivariate Nonlinear Regressio

5、n，MNR)模型對應(yīng)的4.36%；SVR模型預(yù)測，當(dāng)反應(yīng)溫度為759.48℃、甲烷壓強(qiáng)為0.7964atm、催化劑Co–Mo/Al2O3量為0.3836g時(shí)，CNT產(chǎn)量將達(dá)到最大值643.29%，超過MNR模型預(yù)測的最大值607.00%；通過格點(diǎn)掃描進(jìn)行了因素分析，直觀地揭示出各反應(yīng)參數(shù)對CNT產(chǎn)量的交互影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：SVR結(jié)合PSO尋優(yōu)能對甲烷催化裂解合成CNT建立穩(wěn)定可靠的理論模型，可為尋找催化裂解甲烷合成CNT最大產(chǎn)量所

6、需最佳工藝條件提供科學(xué)指導(dǎo)。（3）微波等離子增強(qiáng)CVD沉積金剛石薄膜的工藝及其優(yōu)化
　　金剛石晶向(111)的拉曼光譜半高寬(FWHM值)越小表明其結(jié)晶度越高。在微波增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法制備金剛石薄膜中，根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集，以金剛石粉末顆粒尺寸、襯底偏壓、甲烷濃度、氫氣流速、微波功率、倉壓、偏壓時(shí)間，沉積時(shí)間為自變量和FWHM值為因變量，進(jìn)行了建模、模型檢檢、工藝分析等研究。由所建SVR模型預(yù)測出，當(dāng)工藝參數(shù)分別對應(yīng)為：顆粒尺寸61

7、65.63mesh，襯底偏壓18.8991v，甲烷濃度0.468516%，氫氣流速241.172sccm，微波功率1045.55w，倉壓41.9995Torr，偏壓時(shí)間20.3574min，沉積時(shí)間9.59786h時(shí)，所制備的金剛石薄膜的最小FWHM為3.85242cm。另外，通過格點(diǎn)掃描進(jìn)行了因素分析，直觀地揭示出各反應(yīng)參數(shù)對所制備金剛石薄膜結(jié)晶度的交互影響規(guī)律。
　?。?）等離子增強(qiáng)CVD沉積類金剛石碳膜的微硬度及工藝優(yōu)化

8、r>　　人們通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，微波增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法制備類金剛石碳膜的微硬度主要受氬氣的百分濃度、氣室壓強(qiáng)、射頻功率、襯底偏壓等因素的影響?；谙嚓P(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本，我們以氬氣的百分濃度、氣室壓強(qiáng)、射頻功率、襯底偏壓為自變量，應(yīng)用SVR對類金剛石碳膜的微硬度進(jìn)行了建模研究。對所建模型進(jìn)行了穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性分析，并與多元非線性模型進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)所建SVR模型的平均絕對誤差0.22nm、均方根誤差0.48nm、平均絕對百分誤差均優(yōu)于多元非線性模型(