西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室介萬(wàn)奇教授研究團(tuán)隊(duì)

西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室介萬(wàn)奇教授研究團(tuán)隊(duì)致力于凝固過(guò)程的基本原理及其在先進(jìn)鑄造與人工晶體生長(zhǎng)中的應(yīng)用研究。近年來(lái)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(dǎo)體晶體生長(zhǎng)及其應(yīng)用技術(shù)方面獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，省部級(jí)科技成果獎(jiǎng)8項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文400余篇，出版專(zhuān)著2部，獲國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利23項(xiàng)。

1 研究方向

★ 凝固原理和凝固技術(shù)研究

★ 大型結(jié)構(gòu)件先進(jìn)鑄造技術(shù)及其凝固過(guò)程

★ 化合物半導(dǎo)體單晶生長(zhǎng)及其應(yīng)用技術(shù)

2 代表性成果

大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的先進(jìn)鑄造技術(shù)大型輕合金結(jié)構(gòu)件的鑄造是我國(guó)工業(yè)發(fā)展急需的關(guān)鍵技術(shù)。在國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)和國(guó)防基礎(chǔ)科研等項(xiàng)目支持下，介萬(wàn)奇教授研究團(tuán)隊(duì)研制出了大型鋁合金和鎂合金反重力鑄造技術(shù)與系列化反重力鑄造裝備，鑄造的最大鋁合金鑄件達(dá)到2 t。其中包括多項(xiàng)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)發(fā)明：(1) 發(fā)明了反重力鑄造分級(jí)加壓方法；(2) 建立了反重力鑄造澆注系統(tǒng)及工藝設(shè)計(jì)理論；(3) 開(kāi)發(fā)出數(shù)字式控制氣路，解決了工程應(yīng)用條件下壓力精確控制問(wèn)題；(4) 設(shè)計(jì)研制了低壓、差壓、調(diào)壓、多功能和鎂合金專(zhuān)用5個(gè)系列30余臺(tái)反重力鑄造裝備。傳統(tǒng)工藝鑄造的鑄件性能只能達(dá)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(shù)解決了殲十戰(zhàn)機(jī)、戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、魚(yú)雷艙體、衛(wèi)星框架等10余個(gè)重點(diǎn)型號(hào)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的制造難題，成為國(guó)家工業(yè)領(lǐng)域的一項(xiàng)核心技術(shù)。該成果獲2007年國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，研究團(tuán)隊(duì)獲國(guó)防科技工業(yè)工藝創(chuàng)新先進(jìn)集體稱(chēng)號(hào)。

反重力鑄造技術(shù)解決了大型輕合金結(jié)構(gòu)件冶金質(zhì)量和性能控制問(wèn)題，并把鑄件尺寸精度由CT9級(jí)提高到CT7級(jí)。2011年以來(lái)，團(tuán)隊(duì)又開(kāi)發(fā)出大型石膏型精鑄技術(shù)，并發(fā)明了大型鋁合金鑄件熱處理過(guò)程的反變形矯形技術(shù)，在保持鑄件力學(xué)性能不降低的前提下，將鑄件的尺寸精度進(jìn)一步提高到CT5級(jí)。成為我國(guó)航空航天制造領(lǐng)域的又一新技術(shù)，并已開(kāi)發(fā)出多個(gè)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(guò)3 m，是國(guó)際上最大的精鑄件。

II-VI化合物半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)原理與技術(shù)在國(guó)家自然基金杰出青年基金、國(guó)家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)的項(xiàng)目支持下，介萬(wàn)奇教授研究團(tuán)隊(duì)將復(fù)雜多組元合金的凝固原理應(yīng)用于II-VI族化合物半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)過(guò)程，將成分設(shè)計(jì)和晶體生長(zhǎng)新技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出CdZnTe(CZT)、CdMnTe、HgMnTe、HgInTe、CdInMnTe等5種化合物半導(dǎo)體的晶體生長(zhǎng)技術(shù)，特別是探測(cè)器級(jí)CZT晶體材料的制備技術(shù)超越了國(guó)外現(xiàn)有技術(shù)。CZT探測(cè)材料與器件是天體與深空探測(cè)、放射性監(jiān)控、新一代醫(yī)用CT等醫(yī)學(xué)設(shè)備以及工業(yè)無(wú)損檢測(cè)設(shè)備的核心技術(shù)和升級(jí)換代產(chǎn)品。

介萬(wàn)奇教授研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)10余年的探索，以常壓布里奇曼法晶體生長(zhǎng)為基礎(chǔ)，發(fā)明了成分補(bǔ)償與摻雜、對(duì)流控制和可控氣氛退火等11項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)，開(kāi)發(fā)出了探測(cè)器級(jí)CZT晶體及高效率、低成本單晶制備成套技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備。主要?jiǎng)?chuàng)新性研究工作如下：(1) 設(shè)計(jì)出探測(cè)器級(jí)CZT晶體的主成分和摻雜元素含量，發(fā)明了陽(yáng)離子空位缺陷的補(bǔ)償技術(shù)；(2) 設(shè)計(jì)出合成與生長(zhǎng)共用的石英坩堝，發(fā)明了CZT晶體的合成技術(shù)，開(kāi)發(fā)出改進(jìn)的布里奇曼法晶體生長(zhǎng)技術(shù)及高可靠性的工業(yè)化CZT晶體生長(zhǎng)設(shè)備；(3) 提出了CZT晶體中點(diǎn)缺陷形成的準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)計(jì)算模型和計(jì)算方法，基于計(jì)算結(jié)果發(fā)明了兩段可控氣氛退火改性技術(shù)，解決了陽(yáng)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(wú)損檢測(cè)方法。該成果獲得2013年國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

所生長(zhǎng)的CZT晶體經(jīng)英國(guó)盧瑟福實(shí)驗(yàn)室、中核北京核儀器廠(chǎng)等多家國(guó)內(nèi)外權(quán)威機(jī)構(gòu)測(cè)定表明，CZT晶體性能優(yōu)異，所制備的探測(cè)器對(duì)241Am@59.5 keV的能譜分辨率優(yōu)于3%，對(duì)137Cs@662 keV的能譜分辨率優(yōu)于1.5 %，綜合性能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。本成果現(xiàn)已實(shí)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(guó)內(nèi)惟一的一家探測(cè)器級(jí)CZT晶體生產(chǎn)企業(yè)。生產(chǎn)的CZT晶體與探測(cè)器已被中國(guó)工程物理研究院、中國(guó)原子能研究院、中科院高能物理研究所、西北核技術(shù)研究所等多家單位采用，主要應(yīng)用涉及核科學(xué)技術(shù)、空間天文觀測(cè)、安檢和醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域。

圖1 自主研發(fā)的化合物半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)設(shè)備 圖2 籽晶法生長(zhǎng)的φ60 mm×160 mmCZT晶錠

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

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(guó)百篇優(yōu)秀博士學(xué)位論文獲得者1人、德國(guó)“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(shù)研討會(huì)，邀請(qǐng)了包括美國(guó)科學(xué)院John H. Perepezko院士和瑞士Michel Rappaz教授等在內(nèi)的國(guó)內(nèi)外著名專(zhuān)家學(xué)者共同研討凝固技術(shù)前沿進(jìn)展。與德國(guó)柏林晶體生長(zhǎng)研究所、英國(guó)盧瑟福國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、Surrey大學(xué)、美國(guó)Brookhaven國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、清華大學(xué)、中科院半導(dǎo)體所等國(guó)內(nèi)外著名研究機(jī)構(gòu)展開(kāi)了緊密合作，推動(dòng)了晶體生長(zhǎng)基礎(chǔ)理論和工程技術(shù)在II-VI族化合物半導(dǎo)體材料與器件方面的應(yīng)用。