西北工業(yè)大學凝固技術國家重點實驗室介萬奇教授研究團隊

西北工業(yè)大學凝固技術國家重點實驗室介萬奇教授研究團隊致力于凝固過程的基本原理及其在先進鑄造與人工晶體生長中的應用研究。近年來分別在大型結(jié)構(gòu)件整體鑄造及典型II-VI族化合物半導體晶體生長及其應用技術方面獲得國家技術發(fā)明二等獎2項，省部級科技成果獎8項，發(fā)表學術論文400余篇，出版專著2部，獲國家發(fā)明專利23項。

1 研究方向

★ 凝固原理和凝固技術研究

★ 大型結(jié)構(gòu)件先進鑄造技術及其凝固過程

★ 化合物半導體單晶生長及其應用技術

2 代表性成果

大型復雜結(jié)構(gòu)件的先進鑄造技術大型輕合金結(jié)構(gòu)件的鑄造是我國工業(yè)發(fā)展急需的關鍵技術。在國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)和國防基礎科研等項目支持下，介萬奇教授研究團隊研制出了大型鋁合金和鎂合金反重力鑄造技術與系列化反重力鑄造裝備，鑄造的最大鋁合金鑄件達到2 t。其中包括多項擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的新技術發(fā)明：(1) 發(fā)明了反重力鑄造分級加壓方法；(2) 建立了反重力鑄造澆注系統(tǒng)及工藝設計理論；(3) 開發(fā)出數(shù)字式控制氣路，解決了工程應用條件下壓力精確控制問題；(4) 設計研制了低壓、差壓、調(diào)壓、多功能和鎂合金專用5個系列30余臺反重力鑄造裝備。傳統(tǒng)工藝鑄造的鑄件性能只能達到單鑄試樣的70%，而反重力鑄造獲得的鑄件性能與單鑄試樣的性能相同。該技術解決了殲十戰(zhàn)機、戰(zhàn)略和戰(zhàn)術導彈、魚雷艙體、衛(wèi)星框架等10余個重點型號關鍵結(jié)構(gòu)件的制造難題，成為國家工業(yè)領域的一項核心技術。該成果獲2007年國家技術發(fā)明獎二等獎，研究團隊獲國防科技工業(yè)工藝創(chuàng)新先進集體稱號。

反重力鑄造技術解決了大型輕合金結(jié)構(gòu)件冶金質(zhì)量和性能控制問題，并把鑄件尺寸精度由CT9級提高到CT7級。2011年以來，團隊又開發(fā)出大型石膏型精鑄技術，并發(fā)明了大型鋁合金鑄件熱處理過程的反變形矯形技術，在保持鑄件力學性能不降低的前提下，將鑄件的尺寸精度進一步提高到CT5級。成為我國航空航天制造領域的又一新技術，并已開發(fā)出多個航空航天大型結(jié)構(gòu)件的鑄造工藝，其中最大鑄件輪廓尺寸超過3 m，是國際上最大的精鑄件。

II-VI化合物半導體晶體生長原理與技術在國家自然基金杰出青年基金、國家自然基金重點項目、國家重大科學儀器設備開發(fā)專項的項目支持下，介萬奇教授研究團隊將復雜多組元合金的凝固原理應用于II-VI族化合物半導體晶體生長過程，將成分設計和晶體生長新技術相結(jié)合，開發(fā)出CdZnTe(CZT)、CdMnTe、HgMnTe、HgInTe、CdInMnTe等5種化合物半導體的晶體生長技術，特別是探測器級CZT晶體材料的制備技術超越了國外現(xiàn)有技術。CZT探測材料與器件是天體與深空探測、放射性監(jiān)控、新一代醫(yī)用CT等醫(yī)學設備以及工業(yè)無損檢測設備的核心技術和升級換代產(chǎn)品。

介萬奇教授研究團隊通過10余年的探索，以常壓布里奇曼法晶體生長為基礎，發(fā)明了成分補償與摻雜、對流控制和可控氣氛退火等11項專利技術，開發(fā)出了探測器級CZT晶體及高效率、低成本單晶制備成套技術和關鍵設備。主要創(chuàng)新性研究工作如下：(1) 設計出探測器級CZT晶體的主成分和摻雜元素含量，發(fā)明了陽離子空位缺陷的補償技術；(2) 設計出合成與生長共用的石英坩堝，發(fā)明了CZT晶體的合成技術，開發(fā)出改進的布里奇曼法晶體生長技術及高可靠性的工業(yè)化CZT晶體生長設備；(3) 提出了CZT晶體中點缺陷形成的準化學反應計算模型和計算方法，基于計算結(jié)果發(fā)明了兩段可控氣氛退火改性技術，解決了陽離子空位和Te沉淀的控制難題；(4) 發(fā)明了一整套CZT晶片工業(yè)化加工和無損檢測方法。該成果獲得2013年國家技術發(fā)明獎二等獎。

所生長的CZT晶體經(jīng)英國盧瑟福實驗室、中核北京核儀器廠等多家國內(nèi)外權(quán)威機構(gòu)測定表明，CZT晶體性能優(yōu)異，所制備的探測器對241Am@59.5 keV的能譜分辨率優(yōu)于3%，對137Cs@662 keV的能譜分辨率優(yōu)于1.5 %，綜合性能達到國際領先水平。本成果現(xiàn)已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。新組建的陜西迪泰克新材料有限公司是國內(nèi)惟一的一家探測器級CZT晶體生產(chǎn)企業(yè)。生產(chǎn)的CZT晶體與探測器已被中國工程物理研究院、中國原子能研究院、中科院高能物理研究所、西北核技術研究所等多家單位采用，主要應用涉及核科學技術、空間天文觀測、安檢和醫(yī)學成像等領域。

圖1 自主研發(fā)的化合物半導體晶體生長設備 圖2 籽晶法生長的φ60 mm×160 mmCZT晶錠

圖3 制備出的不同電極結(jié)構(gòu)CZT探測元件 圖4 制備的CZT探測器對137Cs@662 keV的典型能譜響應曲線

3 人才培養(yǎng)

培養(yǎng)博士研究生43名，碩士研究生48名。其中全國百篇優(yōu)秀博士學位論文獲得者1人、德國“洪堡”基金獲得者1人、日本“JSPS”基金獲得者1人，晉升教授10人。

4 合作交流

連續(xù)3年(2011～2013年)召集并組織了凝固技術研討會，邀請了包括美國科學院John H. Perepezko院士和瑞士Michel Rappaz教授等在內(nèi)的國內(nèi)外著名專家學者共同研討凝固技術前沿進展。與德國柏林晶體生長研究所、英國盧瑟福國家實驗室、Surrey大學、美國Brookhaven國家實驗室、清華大學、中科院半導體所等國內(nèi)外著名研究機構(gòu)展開了緊密合作，推動了晶體生長基礎理論和工程技術在II-VI族化合物半導體材料與器件方面的應用。