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计算文献导读(十五):npj Comput. Mater. | 通过混合模型指导机器学习的化学复合金属玻璃的合理设计
来源:科学10分钟 时间:2022-01-11 21:27:05 浏览:1788次

研究背景

自20世纪60年代被发现以来,金属玻璃(MGs)因其良好的结构和功能特性,如超高的强度、良好的耐磨性、显著的磁导率、优异的耐腐蚀性和电化学催化能力等,引起了人们广泛的研究兴趣。但截至目前,具有特定GFA(玻璃成型能力)的MGs的设计,仍然具有挑战性。如图1a所示,这些MGs主要以过渡金属为主,如Fe、Zr、Cu、Ni、Ti、Ag、Pd、Co等,少数以碱金属和稀土金属为主。

机器学习(ML)是一种数据驱动的方法,能够通过建立直接的输入-输出关联来解决多变量(或多维)复杂问题,而无需专门的编程。原则上,在训练ML模型时,人们需要正数据和负数据尽可能具有代表性和多样性,以避免建模偏差。目前,虽然分类型ML模型对快速筛选合金成分有帮助,但它们不能准确地确定具有优良GFAs的合金成分。  

图1 研究人员的模型-指导混合ML算法的发展原理图

研究结果

近日,来自中国香港城市大学的杨勇等研究人员,成功地开发了一种混合机器学习(ML)模型来改进基于经验、耗时且低效的规则,该模型基于一个数据库,该数据库包含了自20世纪60年代以来报道的约5000种不同的金属玻璃成分(块装或带状)。不同于以往依靠经验参数来描述数据的工作,研究人员根据化学复合合金非晶化的最新理论模型,设计了建模指导的数据描述符,用于开发混合分类回归ML算法。该混合ML模型得到了数值和实验的验证。

计算分析

研究人员的混合ML模型开发了三类描述符(总共8个)(见图1b等),如下所述:

由原子大小派生的描述符;由局部化学亲和势得来的描述符;以及由熵导出的描述符。对于分类ML建模,研究人员考虑数据输出的二进制标记。

首先,将报告中能够形成MG带或BMGs的合金成分标签为“1”,同时将其指定为典型MG成分,而其余合金成分标签为“0”,同时作为非典型MG成分。研究人员使用lnD而不是D(MG成分的GFA值),作为回归ML模型的数据输出。

因此,研究人员的数据库中有~5000 MG成分和~2000非-MG成分。为了排除对MG成分可能的建模偏差,研究人员应用了合成少数过采样技术(SMOTE)对非MG成分进行了150%的过采样。结果,这产生了另外3000个虚拟的非-MG组分,以保持典型MG和非MG组分之间的尺寸平衡。

之后,研究人员使用三种ML算法对分类ML模型进行训练和验证,包括自适应增强(adaptive boosting, AB)、支持向量机(support vector machine, SVM)和k-近邻 (KNN)(见图1c等)。

接下来,研究人员开发了四类回归ML模型,包括人工神经网络(ANN)、支持向量回归(SVR)、高斯过程回归(GPR)和随机森林(RF),如图1d所示。在这四个类中,使用不同的算法构建了11个不同的回归ML模型,得到了6个基于ANN的模型、3个基于GPR的模型、1个基于SVR的模型和1个基于RF的模型。

为了验证ML模型,研究人员使用LMANN、RQGPR和ExpGPR ML模型计算了三个三元(或伪三元)合金体系,即Zr-Cu-Al、Zr-Co-Al和Zr-Cu-(Ag, Al)的GFAs,并将预测值与可用的实验数据进行了比较。从图2a-c可以看出,RQGPR模型很好地捕捉了实验结果的趋势,包括没有产生BMG的情况(图2a, b)和几乎产生BMG的边缘情况(图2b)。

图2 RQGPR模型预测的GFAs与三元或准三元合金预测的GFAs比较

根据分类ML模型的预测,研究人员发现了12种MG成分。为了比较,研究人员开发了23种合金成分,包括12种MG成分以及11种未通过ML建模分类的非MG成分。

接下来,用RQGPR模型对这12种非晶形成合金的GFAs进行lnD预测,如图3a所示。如图3b所示,实验结果清楚地表明,预测的12种非晶形成合金可以形成块状或带状(或两者都存在)玻璃,而预测的11种不良非晶形成合金或非MGs合金则无法形成。

图3 化学复合金属玻璃的ML指导设计

Tg/Tl比值,也称为还原玻璃化转变温度,Trg’与MGs的GFA成正比。由图4可见,Tg~0.63Tl有一个明显的趋势,在±0.05 Tl的范围内,研究人员的高熵MG条带由于其相对较高的Tl或较低的Tg/Tl比值,明显偏离了这个趋势。

图4 各种MGs的玻璃化转变温度与液相线温度的关系的总结

图5 Zr25Hf25Al25Co25玻璃带与Zr54Ni16Cu14Ti10Al6 BMG的结构差异

图5a比较了Zr54Ni16Cu14Ti10Al6 BMG和Zr25Hf25Al25Co25玻璃带在雷达图中的描述值。显然,它们的关键区别在于玻璃带在拥有更高的描述符值。在理论上,这两个描述符量化了晶体结构对原子尺寸不匹配的容忍度。因此,这两个描述符越大,晶体结构对非晶化的容忍度(或稳定性)就越大。

文献链接

https://www.nature.com/articles/s41524-021-00607-4

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全部 3小时前 四川
文字是人类用符号记录表达信息以传之久远的方式和工具。现代文字大多是记录语言的工具。人类往往先有口头的语言后产生书面文字,很多小语种,有语言但没有文字。文字的不同体现了国家和民族的书面表达的方式和思维不同。文字使人类进入有历史记录的文明社会。
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