管鹏飞物理所报告PPT(2013-04-11)
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Q.-K Li and M. Li, PRB 75, 094101 (2007). Cu64Zr36 at 300K.
局域温度升高是剪切带产生的原因还是剪切带产生后的结果？
29 30
剪切流变：稳态流变黏度
应力-应变曲线 .
0.001
xy (kbar)
10
1
0.005 0.0001
xy xy /
构中有序结构的特征和表征出发，从原子、热力学及动力学层次上建立合金成分与有 序结构的特征关系，建立有效判据，实现材料的成分和性能设计。
建立了多元非金属-金属非晶合金体系的结构模型.
Physical Review Letters175501(108)2012 [一作] <cite:7>
提出了非晶合金材料剪切形变中温度和应力场的耦合关系.
原子结构模型：中程有序的实验观察
Angstrom electron diffraction mapping
中程有序及特征长度
Nature Materials 10, 10–11 (2011)
13
14
原子结构模型：从短程有序到中程有序
金属－金属体系 二元非金属－金属体系
原子结构模型：多元非金属－金属体系
Pengfei Pengfei Guan Guan Materials Materials Science Science and and Engineering Engineering Johns Johns Hopkins Hopkins University University
合作关系 清华大学 王崇愚院士 （理论） 浙江大学 张泽院士 （实验） 北京化工大学 韩晓东教授 （实验） Tohoku University, 日本 Professor Mingwei Chen （实验） Johns Hopkins University, 美国 Professor Michael. L. Falk （理论） ORNL, 美国 Professor Takeshi Egami （理论） University of Cambridge, 英国 Professor Lindsay Greer （实验）
Physical Review Letters 2010(104)205701[一作] <cite:34>
合金材料应变的微观机制及性能调控 —— 研究合金材料对温度、应力场的响
应，认识影响合金形变机制、强韧性的主要因素。尝试建立超强合金的成分—结构— 力性关系，实现合金材料性能调控。
揭示了非晶合金材料剪切形变中孔穴生成的物理本质.
临界冷却速率
玻璃相转变
冷却速率相关性 非平衡态
晶态材料
非晶态材料
非晶合金材料：高强度的非晶材料
非晶合金材料：主要科学问题
非晶合金的原子结构及结构模型：
非晶固体还没有完善的结构模型，实验中也无法表征，这制约了 对非晶性能、特征的深入认识！
非晶形成能力及非晶合金的成分设计：
非晶合金（金属玻璃）
19 20
原子结构模型：共存 — Ni二十面体
原子结构模型：共存 — P中心TTP
Ni 中心20面体：密堆积模式
21
P 中心TTP：Stereochemical堆积模式
22
原子结构模型：共存 — <0440>
原子结构模型：杂化堆垛模式
Potential Energy Landscape
能量竞争
B
~0.08 eV/atom
局域温度升高 锡溶化现象
剪切形变：
Spaepen, Nature Materials 5, 7 - 8 (2006)
Q3：剪切形变是否必须依靠局域温度升高/结构缺陷来实 现？应力场的作用究竟是什么？
Yang, Liaw, Intermetallics 12, 1265 (2004). Lewandowski and Greer, Nature Mater. 5, 15 (2006).
以溶质金属原子 为中心的密堆团 簇为基本单元， 形成密排模型。 二十面体团簇结 构是其玻璃形成 能力的标志。
17
二元非金属-金属体系 以 非 金 属 原 子 为
中心的TTP团簇， 形成立体化学模 型。没有很好的 玻璃形成能力。
18
原子结构模型：完善了结构模型体系
原子结构模型：Pd-Ni-P体系
金属-金属体系
PRL 封面文章
结构稳定 <0440>和20面体都不利于结晶形核
25
Guan, Fujita, Hirata，Liu，Inoue，Chen, Physical Review Letters 2012(108)175501
26
非晶合金材料：剪切形变
晶体金属材料 金属玻璃材料
剪切形变：剪切滑移面
并不是一个完备的模型体系！
多元非金属金属非晶合金
Pd40Ni40P20
多元非金属-金属体系 Pd40Ni40P20， Pd-Ni-Cu-P（King of the MGs） 具有卓越的非晶形成能力！ 其基本短程有序结构单元是什么？ 如何描述其结构单元的堆积模式？
密堆积模型
Sheng, H. W. et al. Nature 439, 419-425 (2006)
多元非金属-金属体系
x + y = 80
二元非金属-金属体系
He, Y. et al. Appl. Phys. Lett. 69, 1861 (2006)
原子结构与玻璃形成能力的关联？
Guan, Fujita, Hirata，Liu，Inoue，Chen, PRL 2012(108)175501 <cite:9>
原子结构模型：一个完整的结构模型体系？
金属-金属体系 多元 非金属-金属体系
PdNiP， Pd-Ni-Cu-P 有卓越的玻璃形成能力
非金属－金属体系
?
good GFA
卓越的非晶形成能力
PdNiP体系 Pd-Cu-Ni-P 有利于抑制结晶形核
？
Q2：多元非金属-金属体系中原子的堆垛模型及其与玻璃 形成能力的关联是什么？
R溶质中心原子/R溶剂原子
短程有序结构： 以非金属原子为中心的 tricapped trigonal prism （TTP）
9 10
都是建立在模拟计算和理论分析的基础上，并没有实验证据
原子结构模型：纳米电子束衍射
晶体合金
原子结构模型：计算模拟
球差校正电子显微镜 纳米电子束衍射技术
1
非晶合金
2 1 纳米尺度上的结构有序 2 3 3
A
“rocking” atom
~ 900K
Ni中心的类20面体和P中心的<0440>是伴生的
P 中心<0440> —— 畸变的TTP团簇
23
24
原子结构模型：非晶形成能力
原子结构模型：杂化堆垛模型
两类局域团簇共 存，并以杂化的模式 堆垛，形成中程有序 我们进一步研究了Pd-Cu-Ni-P体系，也发现了类似的结构，因而 模型。 这种堆垛方式可能普遍存在于多元非金属-金属体系中。 （unpublished ）伴随杂化所生成的 畸 变 TTP 和 二 十 面 体 结构将起到阻止结晶 形核的作用，可能是 其卓越玻璃形成能力 的结构标志。
剪切带形成和滑移必需有结构缺陷或局域温度升高的参与！
剪切形变
MW Chen, Annual Review of Materials Research 38, 445-469 (2008).
温度升高所引起的流变现象？
理解剪切形变（剪切带形成和滑移）的物理本质对开发高性能的新材料至关重要！
27 28
剪切形变：剪切带局域温度升高
100K
10
0
10
1
t (ps)
10
2
10
3
Guan, Chen, Egami, Physical Review Letters 2010(104)205701 （cite:34）
31
• • • •
LAMMPS with EAM potential --- ZrCrAl: 8000 atoms. Melting at 3000K, cooling at 1010 K/sec, T0 ~ 860K. Shear applied through the boundary condition. V kept constant. Focus on the flow stress.
教育、工作背景及合作关系
教育背景 1996-2000 本科 固体物理 物理学院 吉林大学 2000-2003 硕士 凝聚态物理 物理学院 吉林大学 2004-2008 博士 计算材料学 功能材料所 钢铁研究总院 工作背景 2003-2004 助手 M02组 中科院物理所 韩秀峰 2008-2011 博士后 Tohoku University, JAPAN Mingwei Chen 2011博士后 Johns Hopkins University, USA Michael L Falk
Physical Review Letters 2013(Accepted) [一作]
纳米材料结构，性能及微观机理 —— 从理论模拟出发，结合先进的实验制备测
试及结构表征技术，探索纳米材料的宏观性能的微观结构起源。
纳米功能材料的结构及结构-物性关联。代表性文章有
Nature Materials. 11: 775 (2012) [理论一作] Nature Communication 2013(Accepted) [理论,共同一作] Applied Physics Letters 101: 153108 (2012)
原子结构模型：短程有序结构的实验证据
Hirata, Guan (理论一作), Fujita, Chen, Nature Materials 2011(10)28 <cite: 60>
二元非金属－金属体系
成键的部分共价特性
Q1：非金合金材料结构中是否存在短程有序结构？
短程有序结构： 以溶质金属原子为中心有效密堆团簇 决定于有效原子半径比
11
12
Hirata, Guan, Fujita, Chen, Nature Materials 2011(10)28
Hirata, Guan, Fujita, Chen, Nature Materials 2011(10)28
原子结构模型：短程有序结构的实验证据
首次实验验证了金属玻璃中存在短 程有序基本结构单元，巩固了当前非 晶合金材料结构堆垛模型建立的基础 为实验表征无序材料的微观结构提 供了有效的实验方法
4
多尺度计算方法及高通量计算 —— 以实现材料力学性能精确计算为目标，建立
有效的跨越时间、空间尺度的计算方法。逐步建立高通量集成计算体系，最终形成以 计算机模拟为主体的材料设计开发平台。
3
非晶材料
非晶材料：如何得到非晶态？
Debenedetti & Stillinger, Nature 410(259)2001
高弹性 高强度 耐磨 抗腐蚀性 高动态断裂韧性 高温超塑性 软磁特性 低热导 光学特性
非晶形成能力是关于熔体自身抑制结晶的基本科学问题。人们希 望从非晶态合金结构特征出发，从原子、热力学及动力学的层次上 建立合金成分和有序结构的关联，从而高性能合金成分设计提供有 效判据。
非晶态合金的形变机理
独特的原子结构造就了独特的形变与断裂特征。研究非晶态合金 的强度、形变和延韧性的微观机制，建立超强非晶态合金的成分-结 构-力性关联，在原子、纳米、微米尺度的等不同层次上实现非晶态 合金原子团簇结构和微观组织的控制。
“Stereochemical” packing method
15 Gaskell, P. H. Nature 276, 484-485 (1978) Inoue, A., Acta Mater. 48, 279-306 (2000) 16
原子结构模型：微观结构与非晶形成能力
金属－金属体系
类二十面体结构
原子尺度的行为和特性：计算机模拟&实验表征
7 8
…来自百度文库
原子结构模型：短程有序结构
金属－金属体系
成键的金属性
Miracle, D. B. et al. Philos. Mag. 83 2409 (2003) Gaskell, P. H. Nature 276, 484-485 (1978) Sheng, H. W. et al. Nature 439, 419-425 (2006)
2
科研兴趣及研究方向 计算材料物理
相变，玻璃化转变及非晶合金材料 —— 由非晶合金材料出发，研究玻璃化转变
的物理本质。
研究成果简介
验证了非晶合金材料原子构型中的短程有序性.
Nature Materials 10: 11 (2011) [理论一作] <cite:60>
非晶合金结构模型、非晶形成能力及合金成分设计 —— 由非晶态合金无序结
局域温度升高是剪切带产生的原因还是剪切带产生后的结果？
29 30
剪切流变：稳态流变黏度
应力-应变曲线 .
0.001
xy (kbar)
10
1
0.005 0.0001
xy xy /
构中有序结构的特征和表征出发，从原子、热力学及动力学层次上建立合金成分与有 序结构的特征关系，建立有效判据，实现材料的成分和性能设计。
建立了多元非金属-金属非晶合金体系的结构模型.
Physical Review Letters175501(108)2012 [一作] <cite:7>
提出了非晶合金材料剪切形变中温度和应力场的耦合关系.
原子结构模型：中程有序的实验观察
Angstrom electron diffraction mapping
中程有序及特征长度
Nature Materials 10, 10–11 (2011)
13
14
原子结构模型：从短程有序到中程有序
金属－金属体系 二元非金属－金属体系
原子结构模型：多元非金属－金属体系
Pengfei Pengfei Guan Guan Materials Materials Science Science and and Engineering Engineering Johns Johns Hopkins Hopkins University University
合作关系 清华大学 王崇愚院士 （理论） 浙江大学 张泽院士 （实验） 北京化工大学 韩晓东教授 （实验） Tohoku University, 日本 Professor Mingwei Chen （实验） Johns Hopkins University, 美国 Professor Michael. L. Falk （理论） ORNL, 美国 Professor Takeshi Egami （理论） University of Cambridge, 英国 Professor Lindsay Greer （实验）
Physical Review Letters 2010(104)205701[一作] <cite:34>
合金材料应变的微观机制及性能调控 —— 研究合金材料对温度、应力场的响
应，认识影响合金形变机制、强韧性的主要因素。尝试建立超强合金的成分—结构— 力性关系，实现合金材料性能调控。
揭示了非晶合金材料剪切形变中孔穴生成的物理本质.
临界冷却速率
玻璃相转变
冷却速率相关性 非平衡态
晶态材料
非晶态材料
非晶合金材料：高强度的非晶材料
非晶合金材料：主要科学问题
非晶合金的原子结构及结构模型：
非晶固体还没有完善的结构模型，实验中也无法表征，这制约了 对非晶性能、特征的深入认识！
非晶形成能力及非晶合金的成分设计：
非晶合金（金属玻璃）
19 20
原子结构模型：共存 — Ni二十面体
原子结构模型：共存 — P中心TTP
Ni 中心20面体：密堆积模式
21
P 中心TTP：Stereochemical堆积模式
22
原子结构模型：共存 — <0440>
原子结构模型：杂化堆垛模式
Potential Energy Landscape
能量竞争
B
~0.08 eV/atom
局域温度升高 锡溶化现象
剪切形变：
Spaepen, Nature Materials 5, 7 - 8 (2006)
Q3：剪切形变是否必须依靠局域温度升高/结构缺陷来实 现？应力场的作用究竟是什么？
Yang, Liaw, Intermetallics 12, 1265 (2004). Lewandowski and Greer, Nature Mater. 5, 15 (2006).
以溶质金属原子 为中心的密堆团 簇为基本单元， 形成密排模型。 二十面体团簇结 构是其玻璃形成 能力的标志。
17
二元非金属-金属体系 以 非 金 属 原 子 为
中心的TTP团簇， 形成立体化学模 型。没有很好的 玻璃形成能力。
18
原子结构模型：完善了结构模型体系
原子结构模型：Pd-Ni-P体系
金属-金属体系
PRL 封面文章
结构稳定 <0440>和20面体都不利于结晶形核
25
Guan, Fujita, Hirata，Liu，Inoue，Chen, Physical Review Letters 2012(108)175501
26
非晶合金材料：剪切形变
晶体金属材料 金属玻璃材料
剪切形变：剪切滑移面
并不是一个完备的模型体系！
多元非金属金属非晶合金
Pd40Ni40P20
多元非金属-金属体系 Pd40Ni40P20， Pd-Ni-Cu-P（King of the MGs） 具有卓越的非晶形成能力！ 其基本短程有序结构单元是什么？ 如何描述其结构单元的堆积模式？
密堆积模型
Sheng, H. W. et al. Nature 439, 419-425 (2006)
多元非金属-金属体系
x + y = 80
二元非金属-金属体系
He, Y. et al. Appl. Phys. Lett. 69, 1861 (2006)
原子结构与玻璃形成能力的关联？
Guan, Fujita, Hirata，Liu，Inoue，Chen, PRL 2012(108)175501 <cite:9>
原子结构模型：一个完整的结构模型体系？
金属-金属体系 多元 非金属-金属体系
PdNiP， Pd-Ni-Cu-P 有卓越的玻璃形成能力
非金属－金属体系
?
good GFA
卓越的非晶形成能力
PdNiP体系 Pd-Cu-Ni-P 有利于抑制结晶形核
？
Q2：多元非金属-金属体系中原子的堆垛模型及其与玻璃 形成能力的关联是什么？
R溶质中心原子/R溶剂原子
短程有序结构： 以非金属原子为中心的 tricapped trigonal prism （TTP）
9 10
都是建立在模拟计算和理论分析的基础上，并没有实验证据
原子结构模型：纳米电子束衍射
晶体合金
原子结构模型：计算模拟
球差校正电子显微镜 纳米电子束衍射技术
1
非晶合金
2 1 纳米尺度上的结构有序 2 3 3
A
“rocking” atom
~ 900K
Ni中心的类20面体和P中心的<0440>是伴生的
P 中心<0440> —— 畸变的TTP团簇
23
24
原子结构模型：非晶形成能力
原子结构模型：杂化堆垛模型
两类局域团簇共 存，并以杂化的模式 堆垛，形成中程有序 我们进一步研究了Pd-Cu-Ni-P体系，也发现了类似的结构，因而 模型。 这种堆垛方式可能普遍存在于多元非金属-金属体系中。 （unpublished ）伴随杂化所生成的 畸 变 TTP 和 二 十 面 体 结构将起到阻止结晶 形核的作用，可能是 其卓越玻璃形成能力 的结构标志。
剪切带形成和滑移必需有结构缺陷或局域温度升高的参与！
剪切形变
MW Chen, Annual Review of Materials Research 38, 445-469 (2008).
温度升高所引起的流变现象？
理解剪切形变（剪切带形成和滑移）的物理本质对开发高性能的新材料至关重要！
27 28
剪切形变：剪切带局域温度升高
100K
10
0
10
1
t (ps)
10
2
10
3
Guan, Chen, Egami, Physical Review Letters 2010(104)205701 （cite:34）
31
• • • •
LAMMPS with EAM potential --- ZrCrAl: 8000 atoms. Melting at 3000K, cooling at 1010 K/sec, T0 ~ 860K. Shear applied through the boundary condition. V kept constant. Focus on the flow stress.
教育、工作背景及合作关系
教育背景 1996-2000 本科 固体物理 物理学院 吉林大学 2000-2003 硕士 凝聚态物理 物理学院 吉林大学 2004-2008 博士 计算材料学 功能材料所 钢铁研究总院 工作背景 2003-2004 助手 M02组 中科院物理所 韩秀峰 2008-2011 博士后 Tohoku University, JAPAN Mingwei Chen 2011博士后 Johns Hopkins University, USA Michael L Falk
Physical Review Letters 2013(Accepted) [一作]
纳米材料结构，性能及微观机理 —— 从理论模拟出发，结合先进的实验制备测
试及结构表征技术，探索纳米材料的宏观性能的微观结构起源。
纳米功能材料的结构及结构-物性关联。代表性文章有
Nature Materials. 11: 775 (2012) [理论一作] Nature Communication 2013(Accepted) [理论,共同一作] Applied Physics Letters 101: 153108 (2012)
原子结构模型：短程有序结构的实验证据
Hirata, Guan (理论一作), Fujita, Chen, Nature Materials 2011(10)28 <cite: 60>
二元非金属－金属体系
成键的部分共价特性
Q1：非金合金材料结构中是否存在短程有序结构？
短程有序结构： 以溶质金属原子为中心有效密堆团簇 决定于有效原子半径比
11
12
Hirata, Guan, Fujita, Chen, Nature Materials 2011(10)28
Hirata, Guan, Fujita, Chen, Nature Materials 2011(10)28
原子结构模型：短程有序结构的实验证据
首次实验验证了金属玻璃中存在短 程有序基本结构单元，巩固了当前非 晶合金材料结构堆垛模型建立的基础 为实验表征无序材料的微观结构提 供了有效的实验方法
4
多尺度计算方法及高通量计算 —— 以实现材料力学性能精确计算为目标，建立
有效的跨越时间、空间尺度的计算方法。逐步建立高通量集成计算体系，最终形成以 计算机模拟为主体的材料设计开发平台。
3
非晶材料
非晶材料：如何得到非晶态？
Debenedetti & Stillinger, Nature 410(259)2001
高弹性 高强度 耐磨 抗腐蚀性 高动态断裂韧性 高温超塑性 软磁特性 低热导 光学特性
非晶形成能力是关于熔体自身抑制结晶的基本科学问题。人们希 望从非晶态合金结构特征出发，从原子、热力学及动力学的层次上 建立合金成分和有序结构的关联，从而高性能合金成分设计提供有 效判据。
非晶态合金的形变机理
独特的原子结构造就了独特的形变与断裂特征。研究非晶态合金 的强度、形变和延韧性的微观机制，建立超强非晶态合金的成分-结 构-力性关联，在原子、纳米、微米尺度的等不同层次上实现非晶态 合金原子团簇结构和微观组织的控制。
“Stereochemical” packing method
15 Gaskell, P. H. Nature 276, 484-485 (1978) Inoue, A., Acta Mater. 48, 279-306 (2000) 16
原子结构模型：微观结构与非晶形成能力
金属－金属体系
类二十面体结构
原子尺度的行为和特性：计算机模拟&实验表征
7 8
…来自百度文库
原子结构模型：短程有序结构
金属－金属体系
成键的金属性
Miracle, D. B. et al. Philos. Mag. 83 2409 (2003) Gaskell, P. H. Nature 276, 484-485 (1978) Sheng, H. W. et al. Nature 439, 419-425 (2006)
2
科研兴趣及研究方向 计算材料物理
相变，玻璃化转变及非晶合金材料 —— 由非晶合金材料出发，研究玻璃化转变
的物理本质。
研究成果简介
验证了非晶合金材料原子构型中的短程有序性.
Nature Materials 10: 11 (2011) [理论一作] <cite:60>
非晶合金结构模型、非晶形成能力及合金成分设计 —— 由非晶态合金无序结