清華新聞網(wǎng)8月14日電 近日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院徐志平課題組提出物理傳遞學(xué)習(xí)理論框架，以解決在預(yù)測(cè)合金強(qiáng)度時(shí)精度與效率難以兼顧的難題。該框架僅需基于少量化學(xué)精度理論計(jì)算數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)金屬合金強(qiáng)度的高精度篩選。在理論預(yù)測(cè)引導(dǎo)下，課題組與中國(guó)科學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)高通量離子束沉積技術(shù)，首次制備出傳統(tǒng)方法難以獲得的高強(qiáng)度亞穩(wěn)態(tài)二元合金，為合金材料開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了新路徑。
在物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域，高強(qiáng)度合金的預(yù)測(cè)與制備是長(zhǎng)期面臨挑戰(zhàn)的重要課題。近年來(lái)，基于第一性原理等方法構(gòu)筑的材料數(shù)據(jù)庫(kù)以及機(jī)器學(xué)習(xí)方法的發(fā)展改變了新材料的發(fā)現(xiàn)方式。基于結(jié)構(gòu)搜索構(gòu)筑的GNoME、MatterGen等數(shù)據(jù)庫(kù)將材料空間從人類(lèi)有實(shí)驗(yàn)認(rèn)知的數(shù)萬(wàn)種拓展至數(shù)百萬(wàn)種。值得注意的是，這些被預(yù)測(cè)的新材料中有許多處于亞穩(wěn)態(tài)，難以在現(xiàn)有工藝條件下獲得，針對(duì)其物性的探索在很大程度上依賴(lài)于理論方法。面對(duì)規(guī)模龐大的材料數(shù)據(jù)庫(kù)以及亞穩(wěn)態(tài)材料制造的困難，兼具精度和效率的材料篩選方法是凸顯的挑戰(zhàn)，尤其在評(píng)估強(qiáng)度等材料非平衡物性等任務(wù)中，因其無(wú)法從平衡態(tài)物性中進(jìn)行推斷，需要引入新的研究思路（圖1）。
圖1.規(guī)模龐大的材料庫(kù)為高強(qiáng)度合金材料挖掘帶來(lái)挑戰(zhàn)與機(jī)遇
傳統(tǒng)上，科學(xué)進(jìn)展遵循“觀(guān)察-假設(shè)-建模”的范式，而基于科學(xué)數(shù)據(jù)的人工智能技術(shù)為工程科學(xué)提供了一種變革性的替代路徑。為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，徐志平課題組提出了物理傳遞學(xué)習(xí)框架。通過(guò)有效傳遞原子尺度結(jié)構(gòu)、相互作用及其與材料力學(xué)性能關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)中所蘊(yùn)含的物理規(guī)律，該框架在模型與數(shù)據(jù)之間架起橋梁，實(shí)現(xiàn)了以化學(xué)精度進(jìn)行材料強(qiáng)度快速篩選（圖2）。具體而言，研究首先利用復(fù)雜性較低但包含正確物理機(jī)制的低保真度經(jīng)驗(yàn)力場(chǎng)模型數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，成功捕捉晶體塑性變形的本質(zhì)特征表征。隨后利用基于密度泛函理論的第一性原理高保真度計(jì)算關(guān)鍵描述參數(shù)，并將其嵌入訓(xùn)練得到具有物理約束的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行外推，既保證了模型的化學(xué)精度，又避免了直接采用第一性原理模擬位錯(cuò)行為帶來(lái)的巨大計(jì)算成本。該框架有效解決了跨尺度力學(xué)模擬中精度與效率難以兼顧的關(guān)鍵難題。在該方法中，模型的泛化性由不同化學(xué)精度數(shù)據(jù)集中變形物理的一致性加以保障。
圖2.物理傳遞學(xué)習(xí)框架及其在預(yù)測(cè)和篩選材料強(qiáng)度中的應(yīng)用
這種對(duì)晶體變形物理的數(shù)據(jù)表達(dá)取代了傳統(tǒng)上依賴(lài)?yán)碚撃Ｐ烷_(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)研究方式，充分利用了材料數(shù)據(jù)庫(kù)與多尺度建模技術(shù)。借助該框架，僅通過(guò)單點(diǎn)高保真度計(jì)算，便能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)多種金屬體系的Peierls應(yīng)力。該物理量可以整合進(jìn)晶體塑性理論框架，構(gòu)建起宏觀(guān)材料力學(xué)性能與微觀(guān)變形物理之間的定量連接。針對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分析進(jìn)一步表明，在引入“原子應(yīng)變”表征材料原子尺度非均勻應(yīng)變，有效傳遞了固溶強(qiáng)化變形機(jī)制。在物理傳遞方法預(yù)測(cè)結(jié)果的引導(dǎo)下，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所蔣敏強(qiáng)研究員和物理所孫保安研究員課題組通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法探索了金屬合金材料相圖中的亞穩(wěn)區(qū)域。通過(guò)離子束濺射沉積鍍膜技術(shù)結(jié)合高通量材料制備成功研發(fā)出具有優(yōu)異力學(xué)強(qiáng)度的CuTi、AlTi等二元合金（圖3）。
論文的研究工作對(duì)加速材料發(fā)現(xiàn)具有廣泛意義，尤其在尋找用于工程應(yīng)用的高強(qiáng)度材料方面展現(xiàn)出巨大潛力。通過(guò)將理論創(chuàng)新與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，該研究不僅推動(dòng)了基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展，也帶來(lái)了實(shí)際的工程應(yīng)用價(jià)值。提出的物理傳遞學(xué)習(xí)框架具有良好的通用性，可拓展應(yīng)用于其他材料性能的預(yù)測(cè)以及多尺度物理問(wèn)題的研究。
圖3.高強(qiáng)度合金材料的高通量實(shí)驗(yàn)制備
相關(guān)研究成果以“通過(guò)物理遷移學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度合金”（Discovering High-Strength Alloys via Physics-Transfer Learning）為題，于8月13日發(fā)表于《物質(zhì)》（Matter）。
清華大學(xué)航天航空學(xué)院教授徐志平和中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所研究員蔣敏強(qiáng)為論文通訊作者，清華大學(xué)航天航空學(xué)院2021級(jí)博士生趙英杰為論文第一作者。中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員孫保安、力學(xué)研究所副研究員周紅波，清華大學(xué)航天航空學(xué)院2018級(jí)博士生張梓安 (現(xiàn)就職于中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院)，中國(guó)科學(xué)院物理研究所薄振興博士參與了研究。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102377
供稿：航院
編輯：李華山
審核：郭玲
