人类不断增长的需求推动了科学技术的快速发展，迫使计算机、智能手机、纳米尺寸芯片、新兴的5G无线系统等高频和高功率现代电子产品向小型化和集成化转型。那么电子信息化带来的电磁辐射也给人类健康造成了威胁。而且传统的实验方法易造成产品制备周期长、试错成本高等问题。
为了解决电磁屏蔽效能差和电磁屏蔽材料制备成本高等难题，公共大数据国家重点实验室谢兰教授团队致力于基于人工智能数据科学的研究。他们通过数据挖掘、利用机器学习等手段，获取材料组分、工艺和性能等方面的诸多信息，从而开展材料设计和性能预测研究。
谢兰教授团队采用5种不同的优化器训练和验证了全连接神经网络（FCNN），预测了AgNWs/WPU/MWCNTs气凝胶的EMI屏蔽性能。结果表明，带有Adam优化器的FCNN（Adam-FCNN）模型具有最佳预测性能，其RMSE和MAE值分别为0.7899和0.6168，R值为0.9895，且计算效率高、可靠性强。最后，利用训练好的Adam-FCNN预测了五种新的未制备气凝胶的电磁干扰屏蔽性能，结果与我们所预期的十分吻合。研究工作以Electromagnetic Interference Shielding Composite Aerogels with Asymmetric Structures Developed in Aid of Neural Network为题，发表于Composites Science and Technology期刊上。
在这项工作中，谢兰教授团队通过冷冻干燥工艺制备得到WPU/MWCNTs气凝胶，然后再将AgNWs喷涂在WPU/MWCNTs的底面，最终得到具有电磁干扰屏蔽性能的AgNWs/WPU/MWCNTs气凝胶（图1）。
图1 AgNWs/WPU/MWCNTs 气凝胶的制备过程示意图
图2c和图2d中可以看出，随着AgNWs含量的增加，Ag-WC2气凝胶的平均SET和SEA逐渐增强，而SER的变化很小，这表明SET的提升主要源于SEA的增加。A值也随着AgNWs含量的增加而升高，这是由于气凝胶吸收了更多的AgNWs涂层反射的电磁波，增加了传导损耗。然而，Ag40-WC2的A值明显降低，这是因为阻抗失配过大导致反射电磁波过多，而WPU/MWCNTs层无法完全吸收这些反射电磁波。值得注意的是，所有样品的A都明显高于R，这表明AgNWs/WPU/MWCNTs气凝胶的屏蔽机制是以吸收为主。
图2：(a)导电性和电阻率，(b)X波段的EMI SET，(c)含有不同AgNWs的 Ag-WC2气凝胶的平均SER、SEA和SET以及(d)A-R系数
为了深入了解AgNWs/WPU/MWCNTs气凝胶的屏蔽机制，图3展示了屏蔽过程。当电磁波（EMW）进入气凝胶时，由于气凝胶内部复杂的多孔多层结构，大部分电磁波被吸收。而气凝胶内高导电性MWCNTs的存在大大加速了电子的跃迁和迁移，导致电损耗增加。这种多重反射和散射过程有助于扩大传播路径，逐渐吸收或耗散电磁波的能量。最终，剩余的电磁波在穿过WPU/MWCNTs气凝胶后，遇到底部的高导电性AgNWs层，将其反射回气凝胶中。这一循环过程不断重复，直到电磁波被完全吸收。因此，AgNWs/WPU/MWCNTs气凝胶具有出色的EMI屏蔽性能。
图3 AgNWs/WPU/ MWCNTs气凝胶的电磁微波耗散示意图
图4显示了基于FCNN的EMI屏蔽性能预测模型示意图。通过矢量网络分析仪测量AgNWs/WPU/MWCNTs气凝胶获得的数据集用于该架构的训练。
图4 基于FCNN的EMI屏蔽性能预测模型
在我们的研究中，使用Adam-FCNN预测了四种不同的已制备气凝胶的电磁干扰屏蔽性能，如图5a所示。将预测的EMI屏蔽值与实验得出的值进行对比分析后，可以很明显地看出，每组值的对应线都有很大程度的重叠。这一观察结果也有力地证明了Adam-FCNN模型预测的准确性。
图5：（a）不同气凝胶在X波段的电磁干扰屏蔽性能的实验值和预测值比较；（b）五种新的未制备气凝胶（红线）与新的未制备气凝胶附近的已制备气凝胶（灰线）在X波段的电磁干扰屏蔽性能的预测比较。
贵州大学硕士生何成雷为论文第一作者，贵州大学谢兰教授、薛白副教授、于丽娅讲师为论文共同通讯作者。论文共同作者还包括浙江大学郑强教授，贵州大学博士生张星星及硕士生曾令军。该研究得到国家自然科学基金，国家重点研发计划项目和贵州省科技计划项目的资助。
稿件撰写人：谢兰
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110579.
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