单智伟

單智偉
原圖鏈接 來自青塔網 西安交通大學材料學院副院長
出生	1974年2月
國籍	中國
民族	漢
母校	吉林大學
職業	教授，博士生導師

單智偉，男，漢族， 1974年2月出生，中共黨員，美國匹茲堡大學機械工程系畢業，博士學位，教授，博士生導師，現任西安交通大學材料學院副院長、金屬材料強度國家重點實驗室副主任。

單智偉2007年受聘為西安交通大學"騰飛人才計劃"特聘客座教授;2008年獲評教育部長江學者獎勵計劃特聘教授;2009年獲得國家自然科學基金傑出青年基金資助;2009年與馬恩教授，李巨教授和孫軍教授共同組織籌建西安交通大學"微納尺度材料行為研究中心(CAMP-Nano)"，並任執行主任;2010年受聘為金屬材料強度國家重點實驗室副主任;2010年入選陝西省"百人計劃";2010年與著名的Hysitron公司合作籌建"Hysitron中國應用研究中心"任主任。

工作簡歷

1992-1996，吉林大學，材料與工程系，學士學位;

1996-1999，中國科學院金屬研究所，材料物理與化學專業，碩士學位;

1999-2001，中國科學院金屬研究所博士生，助研;

2001-2005，美國匹茲堡大學，機械工程系，博士學位;

2005-2006，美國勞倫茲國家實驗室，國家電鏡中心博士後;

2006-2009，美國Hysitron公司，先後任資深研究員、部門經理及應用研究中心主任。

研究領域

研究領域、方向包括:

1)探索並優化材料、尤其是微納尺度材料的結構與性能;

2)應用和發展與之相配套的先進制備、測試與表徵技術;

3)以原位、動態、定量為主要特徵的優異技術和設備為主要研究手段，結合先進的計算機模擬，選擇典型材料為主要研究對象，通過和本領域以及相關領域專家與學者的有效合作，力求系統的建立起微納尺度材料結構(成分，晶體結構，缺陷，尺寸，樣品幾何，表面，界面等)與性能(力，電，熱及其耦合作用)間的定量關係，並為這些材料的最終應用提供堅實的實驗基礎和方法論的指導。研究方向主要集中於應用和發展定量的原位變形技術(壓痕/壓縮/彎曲/拉伸等)對材料研究中的一些焦點問題進行探索。

科研項目

西安交大長江學者特聘教授配套項目基金(200萬元)，項目負責人，2010-2012。

國家自然科學基金傑出青年基金(200萬元)，項目負責人，2010-2012。

國家自然科學基金重點項目:微米金屬單晶的變形行為及晶體學與尺度效應(180萬元)，主要參加人。

美國能源部:定量的原位透射電鏡拉伸裝置(一、二期)(85萬美金)，項目負責人，2007-2010。

學術成果

在包括《自然》，《科學》，《自然-材料》，《自然-通訊》，《物理評論快報》等國際頂級期刊上發表論文20餘篇，SCI引用超過760餘篇次，單篇SCI引用最高217篇次。其中2010年發表在《自然》和《自然-通訊》上的兩篇文章是單智偉教授回國後發表的前兩篇文章;組織和共同組織了7次國際學術研討會，擔任6次國際會議分會主席;做或署名大會邀請報告34個，大會普通報告36個，主持科研項目4項(包括美國兩項)，作為研究骨幹參加科研項目4項(包括美國兩項)，創建和共同創建兩個國際研究中心;主持經費合計近6000萬元人民幣。

以下為一些代表性工作的簡介:

發現金屬變形孿晶的強烈晶體尺寸效應(《自然》，第二作者，2010)

單智偉教授和同事們通過巧妙的實驗設計，選取六方晶體結構的鈦-5%鋁合金單晶中以孿晶變形為主導塑性變形方式的晶體取向，運用納米力學測試儀有針對性地研究了孿晶變形在微小尺度材料中的行為規律和機理。結果發現，當外觀幾何尺度減小到微米量級時，與相應宏觀塊體材料相同，材料的塑性變形仍以孿晶切變為主，但其能夠承受的最大流變應力表現出很強的尺度依賴性(最高達到宏觀值的8倍左右)。分析表明，其實驗測定的Hall-Petch關係的冪指數接近於1(遠高於多晶的0.5)。更為令人驚奇的是，當晶體的外部幾何尺度進一步減小到1微米以下時(遠大於多晶納米材料強度極值對應的20納米)，孿晶變形被位錯滑移變形完全取代。同時，Hall-Petch冪律關係不再適用:材料所能承受的最大流變應力轉而呈現出一種接近於所用材料理論強度水平的"應力飽和"現象。由此，文中提出了以螺位錯為媒介的孿晶變形"受激滑移"模型，得到Hall-Petch冪律指數的理論值為1，與實驗值吻合良好。並且由於僅有小部分(1%左右)的位錯可以作為極軸，而晶體尺寸愈小，就愈難於利用螺型位錯的極軸作用將兩個相鄰的滑移面有效地耦合在一起而形成孿晶，從而完美地解釋了孿晶變形具有強烈的晶體尺寸效應和"尺寸愈小、強度愈高"的內在原因。

由於試驗發現的臨界轉變尺度是在工程上很容易實現的微米向亞微米過渡的範圍，因此，此項研究結果不僅對於系統認識微小尺度材料的力學行為有着十分重要的作用，而且對於微電子元器件與微機電系統(MEMS)所用材料的性能表徵評價與設計、特別是利用其強度的強烈晶體尺度效應進行微納加工等具有重要的指導意義。該項工作發表在2010年1月出版的《自然》雜誌上。

單智偉

該項工作的重要意義還在於: 它是單智偉教授以西安交大為第一作者單位發表的第一篇文章，也是西安交通大學的第一篇以第一作者單位發表在《自然》雜誌上的文章。

發現高能電子可導致玻璃態二氧化硅小球的室溫超塑性(《自然通訊》，通訊作者，2010)

在單智偉教授與其它同事合作指導下，單智偉教授的博士生汪承材利用金屬材料強度國家重點實驗室微納尺度材料行為研究中心和Hysitron中國應用研究中心的實驗平台，研究了高能電子對亞微米尺度玻璃態SiO2球體力學行為的影響。試驗中令人驚訝地發現即使是低強度的電子輻照也可以急劇的地提高玻璃態SiO2球體在室溫附近的塑性變形能力;而且，無電子輻照時玻璃態SiO2球的流變應力遠大於有電子輻照時的流變應力，差別達4倍之多。這是人們首次定量的研究高能電子對材料力學性能的影響。與此同時，北京工業大學張澤院士、韓曉東教授課題組的原位透射電鏡拉伸試驗表明，高能電子輻照下玻璃態SiO2納米線可呈現超塑性，均勻延伸率可超過200%。為了揭示電子束促進塑性變形的微觀機制，美國約翰霍普金斯大學馬恩教授課題組採用分子動力學方法對SiO2納米線的變形過程進行模擬。分析表明，高能電子可使玻璃態SiO2產生很多結構缺陷和價鍵缺陷，如懸空鍵等。這些缺陷將會促進不同Si-O鍵之間的原子互換，從而使得塑性的載體，即原子團簇的轉動和遷移成為可能;同時，納米材料超小的體積使得玻璃態SiO2的流變應力大到足以滿足原子鍵互換和團簇遷移所需的應力;相應的理論計算進一步確認了在上述試驗過程中電子束引起的溫度升高很小。這些研究成果的重要意義在於它將會對該類材料在微納尺度上的加工和集成產生重要的指導意義，從而為脆性材料，如氧化物玻璃的應用開闢出嶄新的途徑。同時也拓寬了電子束這一常規材料表徵工具在材料加工方面的應用。該項工作發表於6月1日在線出版的《自然-通訊》雜誌上(Nature Communications, 10.1038/ncomms1021)。單智偉教授的博士生為並列第一作者，單智偉教授為並列通訊作者。

該項工作的重要意義還在於:它是單智偉教授2010年發表在《自然》系列雜誌上的第二篇文章，是西安交通大學的第二篇《自然》系列文章，同時也是單智偉教授以通訊作者身份在西安交通大學發表的第一篇文章。

在亞微米尺度的單晶鎳中發現了機械退火和反常硬化現象，從而令人信服地驗證了此前備受爭議的位錯匱乏機制(《自然材料》，第一作者，2008)

採用聚焦離子束加工亞微米金屬試樣，並結合定量原位透射電鏡下變形方法，發現a)用聚焦離子束製備的亞微米單晶鎳圓柱體中包含有高密度位錯。在外界應力的作用下，這些亞微米晶體中的位錯密度會劇烈下降，甚至形成一個無位錯的完美晶體。b)不同於傳統的應變硬化，亞微米晶體中的應變硬化來自於位錯或位錯源的匱乏。這些發現的重要意義在於她不僅揭示了微納米尺度面心立方金屬奇特力學行為的內在原因，而且用令人信服的實驗明證了由斯坦福大學WilliamsNix研究團隊所提出的，但此前飽受爭議的微尺度金屬變形的位錯匱乏假說。以上結果以第一作者身份發表在2008年二月的《自然·材料》雜誌上(Shan Zhiwei, et al. Nature Materials, 7: 115-119,2008)。同期發表的約翰霍普金斯大學Hemker教授和斯坦福大學Nix(WD.Nix美國三院院士，材料力學行為國際權威學者)教授的評論文章給予該工作高度評價:"該工作為解釋微尺度單晶強度尺度效應的"位錯匱乏理論"提供了直接的實驗證據，並且這種直接觀察的方法為理解納米尺度的材料複雜行為提供了亟需的清晰圖象。"(Hemker KJ, Nix WD. Nature Materials.7:97-98,2008)。該工作已被包括發表在《自然》、《科學》等頂級刊物上的文章引用超過93次。

發現納米晶的空心硫化鎘球體不僅能夠支撐理論強度的應力，而且具有相當大的變形能力(《自然材料》，第一作者，2008)

納米晶材料具有極高的強度和硬度，但是其塑性卻近似於脆性材料。為了提高納米晶材料的塑性，研究人員進行了不懈的努力並提出了諸多的解決方案。這些方案可歸為兩大類:應變硬化和應變速率硬化。但是，這些努力不可避免的要以犧牲強度為代價。受到空間結構材料的啟發，單智偉教授提出把納米材料合成為一定的空間結構將可能得到同時具有高強度和大變形能力的材料。基於這種想法，單智偉教授選取球殼由納米晶組成的硫化鎘空心球為研究對象，通過原位透射電鏡下力學性能測試並結合有限元分析對納米晶硫化鎘構成的中空的納米球的力學性能進行了系統的研究，結果表明該種結構具有極高的強度和良好的變形能力。同時，基於本研究所開發出來的試驗技術使的定量、直接、高效地測量納米粒子的力學性能成為可能。上述工作以全文(Article)的形式發表在2008年1=2月的《自然材料》雜誌上。單智偉教授為第一作者。

證明可以通過合適試驗設計撲捉到納米晶中的位錯動態行為(《物理評論快報》，第一作者，2007)

通過採取一種拉伸誘發變形，保持載荷並於不同時間在同一區域內拍攝高分辨透射電子顯微像的方法，成功地觀察到了納米晶中位錯的動態變形行為。本工作不僅驗證了關於應力可以使位錯在納米晶中穩定存在的猜測，並且推翻了此前分子動力學模擬關於納米晶中位錯動態行為無法通過真實的試驗來觀察的論斷。

實驗證明了關於材料初始塑性的一些公認假說可能是不精確的、甚至是錯誤的(自然材料，第三作者，2006)

利用定量的原位透射電鏡變形技術，發現a)噪音級別的力即可讓位錯在完美晶體中成核;b)包含高密度位錯的鋁晶粒可支撐理論強度的剪切應力(~2.2GPa)。這些發現的重要意義在於它用令人信服的實驗證明了公認的一些假說，即:i)在納米壓痕試驗中，第一次顯著的位移/力突變對應於材料的初始塑性變形;ii)只有完美晶體才能支撐理論剪切的應力這兩種假說是不精確的，甚至是錯誤的。以上結果以第三作者身份發表在2006年的《Nature Materials》雜誌上。

LBL(Lawrence Berkeley National Laboratory)作為頭條研究新聞進行了報道。同時，美國科學雜誌網絡版科技新聞以How Nanocrystals Crumple: "New Window into Deformation of Nanoscale Materials為題對該工作進行了報道並給予高度評價。

確證了晶界主導的塑性可成為納米金屬晶體一種顯著的變形機制(《科學》，第一作者，2004)

晶體材料的塑性行為通常主要由晶格位錯的成核和運動來控制。通過創造性利用原位透射電鏡拉伸技術和暗場成像相結合的方法，單智偉教授對平均晶粒尺寸為10納米的納米晶鎳的變形機制進行了研究。結果證明晶界主導的塑性在該晶體變形過程中已成為一種顯著的變形方式。而且，在變形後的單個晶粒中發現了晶格位錯的存在。分析表明這種變形方式的變化源於下述兩種機制之間的競爭:位錯的成核和運動以及擴散輔助的晶界變形過程。本工作從實驗上為理論和計算機模擬所預測的隨着晶粒尺寸減小，納米晶金屬存在一個峰值強度這一現象提供了有力的證據;並為理論研究和分子動力學模擬提供了堅實的實驗證據。

該工作得到美國Science雜誌兩位評審人的高度評價。一位評審人寫道:"就揭示晶粒轉動而言，該工作是目前最好的"，"這是一流的研究工作，值得Science發表"。另一個評論道:"這項工作是新穎的，出人意料的，對納米結構金屬領域而言是很重要的發現"。

Science編輯部在發表該文的同時，還在同一期的"Perspectives"欄目上刊登了國際知名學者、美國約翰霍普金斯大學終身教授馬恩博士對該工作的專門評價文章(Science News, "Watching the Nanograins Roll"， by E. Ma, Vol. 305, 30 July 2004, P. 623-624)。馬恩博士指出，"分子動力學模擬預測當晶粒尺寸減小到10個納米左右時，晶粒轉動機制將會啟動並可能主導變形過程。儘管許多年來人們都在尋找這樣的證據，令人信服的直接的實驗證據卻一直沒有找到。""運用原位暗場透射電鏡技術，作者們記錄了在變形過程中鄰近的晶粒通過頻繁的轉動形成大的晶粒團聚物的過程"。論文主要結果在同期的"Perspectives"和"This Week in SCIENCE"兩個欄目被進一步介紹。同時Materials today和LBL(Lawrence Berkeley National Laboratory)均作為頭條研究新聞進行了報道。該論文已經被SCI引用超過213篇次 。