超磁致伸缩Fe-Ga合金薄膜成分及结构的预测模型构建

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。

揭示Fe-Ga薄膜的成分、结构（显微结构、磁畴结构）及其性能与制备工艺的关联性是其应用的关键。项目组选择了“超磁致伸缩Fe-Ga合金薄膜成分及结构的预测模型构建”为题开展研究，主要探索了Fe-Ga合金的熔炼时合金元素的挥发行为对合金熔体成分的影响规律，Fe-Ga合金薄膜的制备与成分控制预测，以及Fe-Ga合金薄膜悬臂梁的结构分析。.主要研究内容与成果如下：.（1）Fe-Ga合金熔体中Ga元素的饱和蒸汽压较高，在真空熔炼时容易产生挥发，从而使合金的目标成分与实际成分产生偏差，并且挥发的产物也会造成真空环境的污染。因此，项目组计算了铁镓合金中铁、镓元素的饱和蒸气压、不同条件下的临界挥发温度和挥发损失速率，提出了熔炼Fe-Ga合金时的成分影响规律，采用二次加料及吹铸真空感应熔炼方法制备了成分均匀的Fe-Ga合金靶材，试验结果与理论计算结果基本一致。.（2）由于成分对Fe-Ga合金薄膜的性能影响巨大，而磁控溅射制备Fe-Ga合金薄膜时成分难以随意控制，项目组对薄膜成分、表面形貌、晶体结构、内应力等进行了表征、测试。利用面积不等的纯铁片贴附在Fe-Ga合金靶材上，通过改变铁片与靶材的面积比来到达控制薄膜成分的目的，建立了采用马赛克靶制备Fe-Ga薄膜时成分控制的解析模型，并采用此方法成功的制备了不同成分的Fe-Ga合金薄膜。.（3）研究表征了Fe–Ga薄膜的磁畴形貌，磁畴尺寸以及随Ga含量变化的规律。研究分析了Fe–Ga薄膜的磁滞回线与成分关系；利用全局三维本征非线性模型方程与弱解有限元方程进行耦合求解，建立了动态条件下Galfenol合金的三维本征非线性模型。.（4）通过对薄膜悬臂梁进行静态应力分析，得出了应力与应变关系；采用有限元分析软件Ansys workbench对薄膜悬臂梁进行模态分析及谐响应分析，计算了磁致伸缩薄膜悬臂梁感应电压模型；设计并组建薄膜悬臂梁检测平台，得出了Fe81Ga19合金磁致伸缩系数与磁场强度关系曲线，计算出薄膜悬臂梁在外界激励作用下的理论输出电压。在上述研究基础上，制备了不同厚度的Fe–Ga合金薄膜悬臂梁，研究了在磁感应强度和应力影响下悬臂梁的磁致伸缩性能，验证了理论模型。