4-25、陶瓷基复合材料基因工程数据资源建设的关键问题探讨

Key Issues in MGE Data Resource of Ceramic Matrix Composites

姚磊江^*, 高翔, 童小燕

西北工业大学

摘要：陶瓷基复合材料是21世纪航空航天领域最具发展潜力的材料之一。陶瓷基复合材料在超常环境中服役中，存在宏观性能与微观结构演变之间多尺度、多层次的复杂的关联关系，传统的尝试法(error-and-trial)是一种迂回曲折、多次重复和预见性很低的材料设计模式，难以适应越来越苛刻的服役环境对新材料的需求。材料基因工程（MGE）的理念，为解决材料快速研发提供了新的思路，其核心是利用材料数据的快速积累和材料大数据分析，快速找到隐藏在海量数据内部的多维度、多尺度、多层次的复杂关联，从而构建材料的构效关系，实现数据驱动的材料发现和材料设计。因此，数据资源的建设是材料基因工程的基石。本文提出了材料基因工程数据系统的三个核心要素：数据质量、数据系统性和数据的有效利用。数据质量是开展数据驱动的材料设计的基础，通过对影响数据质量的要素分析，建立数据质量评价的维度模型。数据的系统性是指材料基因工程数据能够为描述材料组份、工艺、微结构、性能之间的多尺度内在关联提供系统化的数据支撑，它包括数据的完整性和数据关系的完整性，并通过最小数据集的定义来进行数据系统性评价。数据的有效利用，通过最优化的数据结构、知识图谱设计等手段，提升数据的可访问性，支撑数据分析与挖掘和数据驱动的知识发现。以连续纤维增强陶瓷基复合材料为例，研究了陶瓷基复合材料基因工程数据资源建设的关键问题和解决思路。引入数据全生命周期的概念，剖析数据从产生、收集、整理和记录到使用各个层次的质量影响因素，提出数据质量维度框架，初步建立了数据质量的评估体系；通过对陶瓷基复合材料工艺、结构、性能等材料设计关键要素的梳理，建立了陶瓷基复合材料基因工程数据资源的逻辑模型，研究了陶瓷基复合材料数据描述的完整性和数据关联的完整性评价原则，提出了陶瓷基复合材料基因工程核心数据集的基本构架，分析了陶瓷基复合材料基因工程数据系统性的要求，在此基础上讨论了陶瓷基复合材料基因工程数据资源建设中的标准规范应当涉及的基本内容、范围；探讨了知识图谱、语义等概念在材料数据资源整合和有效利用方面的潜在价值和研究思路。本文研究工作为陶瓷基复合材料基因工程数据资源建设奠定了基本的思路，对陶瓷基复合材料基因工程数据资源的评估、标准化、建设和应用具有重要的指导意义。

关键词：材料基因工程，陶瓷基复合材料，数据质量，最小数据集，知识图谱

通讯作者：姚磊江，电话：029-88451161，Email: yaolj@nwpu.edu.cn

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.425