国家自然科学基金项目
项目负责人：晏建武
项目编号：51161019
一、项目简介
本课题拟采用复合靶和合金靶，聚酰亚胺薄膜基片、铜基片、单晶Si基片及玻璃基片，通过改变合金靶成分以及控制靶上贴片面积与合金靶表面面积的面积比，采取调整溅射气压、靶基距、基片溅射温度、溅射电压、溅射电流参数、溅射后的热处理温度等措施，用磁控溅射镀膜机溅射制备单层、多层Fe-Ga薄膜。采用SEM、EDS、TEM、XRD、电脑膜层测厚仪、磁力显微镜（MFM）等仪器，对薄膜成分、显微结构及磁畴结构进行表征。探索薄膜的成分、结构及磁致伸缩性能与制备工艺之间的相关性，揭示其影响规律，建立薄膜成分、结构的预测与控制理论模型；研究Fe-Ga薄膜的磁化行为以及磁致伸缩性能，建立本构模型。在上述研究基础上，制备性能优良的Fe-Ga薄膜悬臂梁，验证理论模型。本项目研究可为超磁致伸缩Fe-Ga薄膜的应用提供理论基础和技术支撑。
二、项目相关成果的介绍（含前期）
已经开展的主要工作：
1、项目启动，落实具体进度与任务安排，进一步查阅有关资料，制定研究方案。
项目启动后，项目主持人对课题组成员分担的任务进行了安排与分工。进一步查阅了相关文献资料，对方案进行了充分的论证，从可行性、科学性等方面与课题组成员一起进行了讨论，制定了详细的研究方案。
2、Fe-Ga薄膜样品的初步制备、悬臂梁的加工。
项目组首先外购了成分为Fe81Ga19的合金靶材，采用正交实验法，直流磁控溅射法在紫铜基片、抛光玻璃基片上制备了不同厚度、不同基片的单层Fe–Ga薄膜。初步研究了薄膜沉积规律，进行了磁控溅射Fe–Ga薄膜的制备工艺参数的优化，研究了基片对薄膜内应力状态及性能的影响，制备了悬臂梁。
3、薄膜显微结构的表征。
薄膜的表征在薄膜材料的研究中十分重要。项目组制备出Fe–Ga薄膜后，对其厚度、薄膜成分、表面形貌、晶体结构进行了表征、测试，以优化制备工艺。
首先采用称重法测量了薄膜的厚度。薄膜成分的表征及均匀性的检测采用了Quanta 200扫描电镜上配置的Oxford EDS X射线能量散射谱仪分析薄膜表面的平均成分和元素分布。
薄膜表面形貌的表征分别用FEI公司Quanta200扫描电镜(SEM)观察表面形貌。通过表面观察，可以检测到薄膜表面颗粒的大小、孔洞、杂质、成膜的均匀性等，从而看出成膜质量的好坏。
在Bruker AXS D8 ADVANCE X射线衍射仪上，采用XRD掠角衍射技术分析了薄膜的物相、相结构等。
4、Fe–Ga薄膜的显微结构与热退火处理工艺的关系研究
作为超磁致伸缩敏感材料，薄膜显微结构是晶体状态或者非晶状态对磁致伸缩性能影响很大。本项目在OTF-1200X管式真空炉中，采用不同的热退火工艺进行了Fe–Ga薄膜试样的热退火，研究了薄膜显微结构的变化规律。
5、Fe-Ga合金靶材的研制
项目组在第一阶段总结后，借助于学校对科研设备投资的支持，购买了真空感应熔炼炉，开展了感应熔炼制备Fe-Ga合金靶材的研究。取得了以下重要进展：
（1）利用真空感应熔炼炉，采用二次加料法，制备了不同成分的Fe-Ga母合金棒材。
铸态Fe-Ga合金由纯度为99.95％的Fe和99.99％的Ga按照Fel00-xGax（原子含量x=15,17,19,21,27）的成分进行配料，在氩气保护下，经过真空感应熔炼炉反复熔炼制备而成。
（2）利用热处理炉对不同成分的Fe-Ga合金进行热处理，改变加热温度、保温时间以及
冷却方式，分析合金的显微结构和相的变化情况。
（3） 在原来感应熔炼炉基础上，自制定向凝固装置对铸态的Fe-Ga合金进行定向凝固。通过改变定向结晶的工艺参数得到不同显微结构的Fe-Ga棒。
（4）熔炼制备了Fe-Ga合金靶材，已经取得初步的成功。
6、铁镓合金磁致伸缩性能检测研究
项目组所在的微纳驱动与控制研究所自制了棒状磁致伸缩性能检测仪，可用于棒材磁致伸缩性能检测。项目组正在用这台仪器检测熔炼制备的铁镓合金磁致伸缩性能。
项目组取得的成果：
已发表论文：
[1] 晏建武,潘津,张晨曙,李卿鹏,官刘毅,谢鹏,徐国华.Fe-Ga合金超磁致伸缩薄膜的研究进展，材料导报.2013,Vol.27(1):108~110
[2] 晏建武,罗亮,张晨曙,李卿鹏,卢全国,曹清华,潘津.Fe-Ga合金的成分、显微结构极其性能的研究现状.功能材料与器件学报，2012. Vol.18(6):431~436
[3] 潘津,张晨曙,罗亮,晏建武. 磁控溅射制备Fe-Ga薄膜研究. 热加工工艺，已接收.
[4] 罗 亮,晏建武,张晨曙,卢全国.Fe83Ga17合金真空感应熔炼工艺研究，热加工工艺，已接收.
申报发明专利：
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专利名称 |
授权号
或申请号 |
类别 |
发明人、设计人排序 |
授权时间 |
授权国别或组织 |
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一种用于金属表面改性的金属柔性布及其制备方法 |
ZL200910091045.3 |
国家发明专利 |
晏建武，刘莹，邵英平, 段智，宋丽丽 |
2010 |
中国 |
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一种用渗透钎焊法制备碳化钨耐磨蚀复合涂层的方法 |
ZL200910091044.9 |
国家发明专利 |
晏建武，刘莹，宋丽丽，李建敏莹，邵英平, 段智，宋丽丽 |
2011 |
中国 |
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高含量碳化钨梯度耐磨涂层的渗透钎焊制备方法 |
201210541706.X |
国家发明专利 |
晏建武, 张晨曙 |
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中国 |
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一种用于表面改性的金属丝网柔性复合布及其制备方法 |
201210541701.7 |
国家发明专利 |
晏建武, 张晨曙 |
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中国 |
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一种二次加料真空感应熔炼制备Fe-Ga-In-Tb合金的方法 |
201310039246.5 |
国家发明专利 |
晏建武 |
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中国 |
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一种陶瓷过滤深过冷制备超磁致伸缩合金棒材的方法 |
201310102126.5 |
国家发明专利 |
晏建武 罗亮 彭阿芳 张晨曙 |
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中国 |
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一种制备超磁致伸缩合金圆盘的强冷铸造铜模具
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201310102148.1 |
国家发明专利 |
晏建武 罗亮 彭阿芳 张晨曙 |
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中国 |
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一种制备超磁致伸缩合金棒材的铸造铜模具
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201310102130.1 |
国家发明专利 |
晏建武 罗亮 彭阿芳 张晨曙 |
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中国 |
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一种制备超磁致伸缩合金圆盘的强冷铸造铜模具
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201320153814.X |
实用新型专利 |
晏建武 罗亮 彭阿芳 张晨曙 |
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中国 |
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一种制备深过冷超磁致伸缩合金的多孔陶瓷过滤器 |
201320148302.4 |
实用新型专利 |
晏建武 罗亮 彭阿芳 张晨曙 |
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中国 |
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一种制备超磁致伸缩合金棒材的铸造铜模具 |
201320148404.6 |
实用新型专利 |
晏建武 罗亮 彭阿芳 张晨曙 |
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中国 |
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高压线碎冰装置，专利号： |
201020200158.0 |
实用新型 |
晏建武，文红民. |
2010 |
中国 |
