Explainable machine learning analysis of electrical conductivity in graphene–polymer composites
Nội dung chính của bài viết
Tóm tắt
Electrical conductivity in graphene–polymer composites varies over many orders of magnitude because conductive pathways form only when graphene flakes become sufficiently connected. This study analyzes a literature-derived dataset of 486 graphene–polymer composite samples using Random Forest and Gradient Boosting models. The input descriptors were polymer matrix, filler type, processing route, system classification, and graphene loading. The conductivity target was expressed as log10 (s) to reduce its wide dynamic range. On the fixed test split, Gradient Boosting achieved the best performance, with R2=0.91, RMSE=1.36, and MAE=0.93 in log10 (s) space, compared with R2=0.84, RMSE=1.77 and MAE=1.45 for Random Forest. The results indicate that graphene loading alone does not explain conductivity variation across heterogeneous systems. Grouped feature-importance analysis showed that graphene loading (34.1%), system classification (32.6%), and processing route (20.8%) had the largest relative contributions to the model predictions, whereas polymer matrix (9.1%) and filler type (3.2%) showed lower grouped importance. These percentages represent model-based relative importance rather than causal physical contributions. Microstructural descriptors, including graphene aspect ratio, dispersion quality, and agglomeration state, were not consistently reported in the source literature and therefore, they were not included among the five model inputs; their absence remains an important source of predictive uncertainty. Overall, interpretable machine learning provides a useful framework for analysing conductivity trends in literature-derived datasets while making explicit the limitations of the available data.
Từ khóa
Electrical percolation, Electrical conductivity, Explainable machine learning, Gradient Boosting, Graphene–polymer composites, Random Forest
Chi tiết bài viết

Bài báo này được cấp phép theo Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Tài liệu tham khảo
He, L., & Tjong, S. C. (2013). Low percolation threshold of graphene/polymer composites prepared by solvothermal reduction of graphene oxide in the polymer solution. Nanoscale Research Letters, 8, 132. https://doi.org/10.1186/1556-276X-8-132
Kim, H., Abdala, A. A., & Macosko, C. W. (2010). Graphene/polymer nanocomposites. Macromolecules, 43(16), 6515–6530. https://doi.org/10.1021/ma100572e
Kuilla, T., Bhadra, S., Yao, D., Kim, N. H., Bose, S., & Lee, J. H. (2010). Recent advances in graphene-based polymer composites. Progress in Polymer Science, 35(11), 1350–1375. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2010.07.005
Ladani, R. B., Wu, S., Kinloch, A. J., Ghorbani, K., Zhang, J., Mouritz, A. P., & Wang, C. H. (2015). Improving the toughness and electrical conductivity of epoxy nanocomposites by using aligned carbon nanofibres. Composites Science and Technology, 117, 394–406. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2015.07.001
Milad, A., Hussein, S. H., Khekan, A. R., Rashid, M., Al-Msari, H., & Tran, T. H. (2022). Development of ensemble machine learning approaches for designing fiber-reinforced polymer composite strain prediction models. Engineering with Computers, 38(4), 3625–3637. https://doi.org/10.1007/s00366-021-01398-4
Raza, Y., Raza, H., Ahmed, A., Quazi, M. M., Jamshaid, M., Anwar, M. T., Bashir, M. N., Younas, T., & Jafry, A. T. (2025). Integration of response surface methodology (RSM), machine learning (ML), and artificial intelligence (AI) for enhancing properties of polymeric nanocomposites—A review. Polymer Composites, 46(15):13591-13627. https://doi.org/10.1002/pc.30011
Sahimi, M. (1996). Linear and nonlinear, scalar and vector transport processes in heterogeneous media: Fractals, percolation, and scaling laws. Chemical Engineering Journal, 64(1), 21–44. https://doi.org/10.1016/S0923-0467(96)03103-X
Stauffer, D., & Aharony, A. (1992). Introduction to percolation theory (2nd ed.). Taylor & Francis. https://doi.org/10.1201/9781315274386
Sun, Z., Liu, Y., Wong, R., Yu, M., Li, J., Moran, M., … & Wong, C. P. (2022). Crumpled graphene epoxy nanocomposites modified with polydopamine for advanced semiconductor packaging applications. Composites Science and Technology, 230, 109709. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109709
Tarhini, A., & Tehrani-Bagha, A. R. (2023). Advances in preparation methods and conductivity properties of graphene-based polymer composites. Applied Composite Materials, 30, 1737–1762. https://doi.org/10.1007/s10443-023-10145-5
Zare, Y., Munir, M. T., & Rhee, K. Y. (2024). Assessment of electrical conductivity of polymer nanocomposites containing a deficient interphase around graphene nanosheet. Scientific Reports, 14, 8737. https://doi.org/10.1038/s41598-024-59678-0
Các bài báo được đọc nhiều nhất của cùng tác giả
- TS. Lê Thị Ngọc Tú, ThS Trương Thị Bạch Yến, Tích hợp giáo dục phát triển bền vững vào nội dung giảng dạy Vật lý trong môn Khoa học tự nhiên (THCS) và môn Vật lý (THPT) vùng đồng bằng sông Cửu Long , Tạp chí Khoa học Đại học Đồng Tháp: Tập 14 Số 04S (2025): Số Đặc biệt Hội nghị Khoa học tự nhiên Đồng bằng sông Cửu Long
- Tran Thi Ngoc Anh, Hoang Thi Thuy Duong, Pham Thi My Hanh, Tran Thi Thanh Thu, Application of 5E model in Natural Science teaching to develop students' nature-understanding competence in junior high school , Tạp chí Khoa học Đại học Đồng Tháp: Tập 12 Số 3 (2023): Chuyên san Khoa học Xã hội và Nhân văn (Tiếng Anh)
- Hồ Văn Thống, Nguyễn Viết Thư, Trương Thị Bạch Yến, Thực trạng quản lý hoạt động bồi dưỡng học sinh giỏi ở các trường trung học cơ sở huyện Bù Gia Mập, tỉnh Bình Phước , Tạp chí Khoa học Đại học Đồng Tháp: Tập 12 Số 02S (2023): Số Đặc biệt chuyên san Khoa học Xã hội và Nhân văn (Tiếng Việt)
- TS. Le Thi Ngoc Tu, ThS Truong Thi Bach Yen, Perspectives of pedagogy students at Dong Thap University on STEM education activities , Tạp chí Khoa học Đại học Đồng Tháp: Tập 14 Số 7 (2025): Chuyên san Khoa học Xã hội và Nhân văn (Tiếng Anh)
- Pham Truong Giang, Tran Quoc Tuan, Huynh Thi Ngoc Thanh, Nguyen Quoc Thai, Le Thi Ngoc Tu, Identification of the potential compounds for inhibition CD44 target of human breast cancer stem cells by docking method , Tạp chí Khoa học Đại học Đồng Tháp: Tập 13 Số 5 (2024): Chuyên san Khoa học Tự nhiên (Tiếng Anh)
- Nguyen Thi Thao Duyen, Ngo Thi Que, Vu Bich Hanh, Phan Thanh Viet, Tiến sĩ Quach Kha Quang, Tiến sĩ Tran Van Huynh, Tiến sĩ Nguyen Minh Hieu, Tiến sĩ Phan Duc Anh, A novel approach to predicting structural relaxation in poly(ethylene oxide) , Tạp chí Khoa học Đại học Đồng Tháp: Tập 14 Số 02S (2025): Số Đặc biệt chuyên san Khoa học Tự nhiên
- Tran Ngoc Bich, Nguyen Ngoc Hieu, Ta Thi Tho, Le Thi Ngoc Tu, Huynh Vinh Phuc, Linear and nonlinear refractive index changes in monolayer MoSe2 , Tạp chí Khoa học Đại học Đồng Tháp: Tập 10 Số 5 (2021): Chuyên san Khoa học Tự nhiên (Tiếng Anh)
- Kieu Nhat Ha, Kieu Minh Nhan, Bui Van Thang, Le Thi Ngoc Tu, Nguyen Quoc Thai, In silico screening of SARS-CoV-2 RBD-targeting antibodies using HDOCK and PRODIGY , Tạp chí Khoa học Đại học Đồng Tháp: Tập 14 Số 02S (2025): Số Đặc biệt chuyên san Khoa học Tự nhiên
- Le Thi Hoa, Tran Ngoc Bich, Nguyen Ngoc Hieu, Le Thi Ngoc Tu, Huynh Vinh Phuc, Dirac electron in gapped graphene under exponentially decaying magnetic field , Tạp chí Khoa học Đại học Đồng Tháp: Tập 11 Số 5 (2022): Chuyên san Khoa học Tự nhiên (Tiếng Anh)
- Hà Thanh Tùng, Huỳnh Vĩnh Phúc, Lê Thị Ngọc Tú, Ảnh hưởng của phương pháp chế tạo lên hiệu suất của pin mặt trời chấm lượng tử , Tạp chí Khoa học Đại học Đồng Tháp: Tập 11 Số 2 (2022): Chuyên san Khoa học Tự nhiên (Tiếng Việt)