強(qiáng)磁場下材料理化性質(zhì)的改變

楊揮師

摘 要：材料科學(xué)在制造業(yè)中占領(lǐng)著很高的比重，因而一直是工科領(lǐng)域中的關(guān)鍵科學(xué)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，強(qiáng)磁場對于材料科學(xué)的應(yīng)用成為當(dāng)今國際上研究的熱點(diǎn)。本文通過分析強(qiáng)磁場技術(shù)，研究材料理化性質(zhì)在強(qiáng)磁場下的改變，以及可以應(yīng)用的領(lǐng)域與方向。

關(guān)鍵詞：脈沖強(qiáng)磁場；穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場；材料性質(zhì)

中圖分類號：TD97 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）21-0235-02

隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋼鐵、輕工、制造業(yè)等領(lǐng)域都離不開材料科學(xué)的支持，材料科學(xué)的發(fā)展對于推動科技的發(fā)展和國民經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步有著很大的作用。而且，材料學(xué)作為工科的關(guān)鍵學(xué)科之一，一直是高科技發(fā)展的重要理論基礎(chǔ)之一。隨著科學(xué)以及社會的不斷發(fā)展，科技對于材料的性能要求也越來越高，從而激發(fā)了人們在各種極端特殊的條件下，物質(zhì)發(fā)生各種化學(xué)變化、物理變化的探索與研究。在物質(zhì)的固有屬性的基礎(chǔ)上，人們進(jìn)一步探索出新的規(guī)律和機(jī)制，并探究出一系列新的材料制備與改良的理論與技術(shù)。強(qiáng)磁場是指運(yùn)用脈沖技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)產(chǎn)生的5T以上的磁場，并且也包括運(yùn)用等離子體技術(shù)、混合磁體技術(shù)或者超大功率電磁鐵技術(shù)產(chǎn)生的超高磁場。在強(qiáng)磁場下，材料在原子尺度上有了新的變化：強(qiáng)磁場會重新改變原子電子的躍遷、匹配以及排布等行為，因而對材料的各項(xiàng)性能都會產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

1 強(qiáng)磁場下材料性質(zhì)的簡介

1.1 強(qiáng)磁場下材料的特點(diǎn)

傳統(tǒng)的磁性材料是指，基于半經(jīng)典量子理論計(jì)算為基礎(chǔ)，該磁性材料含有3d或者4f電子的金屬材料。在電磁場下，磁性材料將會受到四種力：磁化力、極化力、庫侖力和洛倫茲力。強(qiáng)磁場的實(shí)驗(yàn)過程中，我們發(fā)現(xiàn)了在自然界中從未發(fā)現(xiàn)過的特殊現(xiàn)象：如在金屬凝固過程中，金屬晶粒將會進(jìn)行旋轉(zhuǎn)進(jìn)而融合形成單晶組織；水在強(qiáng)磁場下會發(fā)生變形。強(qiáng)磁場對物質(zhì)的作用可以直達(dá)原子電子尺度，因而，它在眾多領(lǐng)域都有廣泛的研究應(yīng)用。在一些物理領(lǐng)域，研究過程對象離不開特殊材料，如磁性材料、導(dǎo)電材料、磁光材料、多功能膜、光學(xué)晶體等，而這些材料的制備過程受強(qiáng)磁場的控制影響是深遠(yuǎn)的[1]。此外，強(qiáng)磁場對無機(jī)高分子材料、無機(jī)非金屬材料的影響研究屬于且尚未開發(fā)完全的領(lǐng)域，物質(zhì)的磁性自古以來就引起了人類濃厚的興趣。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

指南針，早在3000年之前被中國古代勞動人民運(yùn)用極高的智慧發(fā)明了出來，此后，在中國科學(xué)家的一代代努力下，中國的科學(xué)家們運(yùn)用努力與汗水攻克了一個(gè)又一個(gè)的難關(guān)，將我國的強(qiáng)磁場技術(shù)帶領(lǐng)至國際領(lǐng)先水平。華中科技大學(xué)國家脈沖強(qiáng)磁場中心，是我國“十一五”期間計(jì)劃建設(shè)的國家重大科技技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，成功實(shí)現(xiàn)了90.6特斯拉的峰值強(qiáng)磁場，使得我國成為世界上繼美國、德國之后，第三個(gè)突破90特斯拉大關(guān)的國家。中國科學(xué)院國家強(qiáng)磁場中心的建立使得我國成為與美國、法國、荷蘭、日本并列的，世界五大穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場科學(xué)研究中心。我國在脈沖強(qiáng)磁場、穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場、超導(dǎo)磁體等方面，儼然已經(jīng)走在世界前列。

1.3 國外發(fā)展現(xiàn)狀

在美國佛羅里達(dá)，NHMFL實(shí)驗(yàn)室保持著世界穩(wěn)態(tài)磁場的最強(qiáng)記錄。該強(qiáng)磁場磁體由超導(dǎo)磁體、水冷磁體兩部分搭建完成，并且在1993年開始策劃突破48T的穩(wěn)態(tài)混合磁體的強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)中心的計(jì)劃。在日本筑波，筑波科學(xué)城中正在醞釀著40特斯拉的混合磁體計(jì)劃。在荷蘭，Nijmegen強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室正在策劃搭建突破40特斯拉的穩(wěn)態(tài)混合強(qiáng)磁場。國際上對于強(qiáng)磁場的研究，歐美等國一直走在中國的前面，因而類似于核磁共振等技術(shù)被歐美壟斷，在磁場研究方面，我國的科學(xué)家們還是任重而道遠(yuǎn)的[2]。

2 強(qiáng)磁場下物質(zhì)性質(zhì)的改變

2.1 理化性質(zhì)改變

以有機(jī)材料環(huán)氧樹脂為例，把環(huán)氧樹脂放置于0.12特斯拉磁場靜置后，我們發(fā)現(xiàn)固化的環(huán)氧樹脂的網(wǎng)絡(luò)空間固化，經(jīng)過固化的分子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，原子的排布更加完善。經(jīng)測量，材料的電阻值有了較大的提升，此外，材料的表面張力也有一定的下降[3]。

以水為例，水經(jīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.2特斯拉的磁場磁化后，理化參數(shù)均有明顯的變化：經(jīng)過強(qiáng)磁場處理，水的PH值、電導(dǎo)率、折射率、表面張力變大，同時(shí)，冰點(diǎn)、粘度、密度和蒸發(fā)速率變小。部分難溶性物質(zhì)如碳酸鈣的溶解度在磁化水中增大。另外，磁場會抑制水垢的形成。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過磁化的水，其水垢晶的排列方式發(fā)生變化，由原先緊密的長條形棒狀結(jié)構(gòu)變?yōu)樗缮⒌亩虠l形棒狀結(jié)構(gòu)。由此可見，磁場的存在影響了碳酸鈣、碳酸鎂等水垢主要成分的結(jié)晶過程，對水的理化性質(zhì)有較大的影響[4]。

以酒為例，將新釀制的食用酒放入磁場強(qiáng)度大于0.035特斯拉的磁場中靜置，磁化20天后我們發(fā)現(xiàn)酒的理化性質(zhì)發(fā)生很大變化。磁化酒相比普通酒來說，其有機(jī)酸和有機(jī)酯的含量增加，甲醇和其他雜醇含量明顯降低，并且雜醇油的含量也有下降。此外，磁化酒電導(dǎo)率、含氧量上升，表面張力和年度稍有下降。在化學(xué)反應(yīng)方面，磁化可以加速酒的酯化反應(yīng)，減少酒的陳化時(shí)間。

2.2 生物性質(zhì)的改變

磁場主要對生物體內(nèi)血液中的鐵離子進(jìn)行作用，而電場通過電磁波的作用，可能會引起濕疹等皮膚疾病。在強(qiáng)磁場中時(shí)，人體內(nèi)的各種磁性物質(zhì)都會受到磁場力，同時(shí)，由于磁化作用，體內(nèi)的具有鐵離子血紅蛋白等物質(zhì)將會被磁化，進(jìn)而吸引體內(nèi)別的組織，對人體造成影響。若體內(nèi)存在一些磁性物質(zhì)，則由于磁場的作用，這些物質(zhì)也會對人體健康造成影響，例如一些重金屬在體內(nèi)長期積累，加上磁場的作用，勢必對人體造成危害。但是磁場的危害還沒有嚴(yán)格的科學(xué)細(xì)致全面的探明，因?yàn)榘ㄖ亟饘僭趦?nèi)，外界的各種危害都是日積月累的作用，我們需要長期的跟蹤調(diào)查來驗(yàn)證磁場及電磁波對人體的影響。

3 強(qiáng)磁場在科學(xué)中的應(yīng)用

3.1 材料科學(xué)方面

強(qiáng)磁場在高分子材料、鐵磁性材料、非導(dǎo)磁性物質(zhì)的方面，有著較為廣泛的應(yīng)用。在高分子液晶材料方面，熱固性高分子液晶材料在強(qiáng)磁場下，晶體的取向行為、熱效應(yīng)、磁響應(yīng)特性、固化成型過程都有較為嶄新的特性，作為其力學(xué)性能和磁場關(guān)系的定量分析，有著較為深遠(yuǎn)的前景。在功能高分子材料方面，國際上某些高分子材料纖維經(jīng)過強(qiáng)磁場處理后，可達(dá)到銅導(dǎo)電率的1/5，是極具潛力的導(dǎo)電儲能材料。國際上高導(dǎo)電率的高分子材料以及防靜電、放電磁輻射的電磁波吸收材料已經(jīng)運(yùn)用于軍工領(lǐng)域。

在金屬材料方面，因?yàn)殡s質(zhì)與金屬具有不同磁化率，在金屬凝固過程中，強(qiáng)磁場可以用來控制金屬的對流，進(jìn)而提高冶煉成品的金屬值，有效去除雜質(zhì)。此外，利用金屬晶體磁化率母相和生成相的磁矩差，以及結(jié)晶體磁化率各向異性的特點(diǎn)，我們可以在金屬體結(jié)晶等生產(chǎn)過程中施加磁場的作用，可以控制和改善金屬晶體的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高金屬材料的性能品質(zhì)，也可以通過這種辦法設(shè)計(jì)出新型金屬材料[5]。

3.2 生物醫(yī)學(xué)工程方面

核磁共振的主要原理是：研究對象中的某些原子核具有凈自旋，這些自旋的原子核在均勻磁場中由無序變?yōu)橛行?。再加上和均勻磁場垂直的高頻磁場后，核磁矩產(chǎn)生拉莫進(jìn)動。當(dāng)疊加場頻率與核磁矩自有頻率一致時(shí)，就產(chǎn)生共振，核磁矩躍遷至激發(fā)態(tài)，我們利用核磁矩的密度分布來了解物質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)。

核磁共振目前已經(jīng)用于臨床檢測早期癌癥腫瘤、早起檢測心腦血管類疾病，其對于人類的醫(yī)學(xué)發(fā)展的貢獻(xiàn)是巨大的。和普通X射線的CT成像相比，核磁共振成像有著成像清晰且無輻射危害的優(yōu)點(diǎn)，目前在醫(yī)學(xué)影像學(xué)中，有著極為廣泛的應(yīng)用。

3.3 其他方面的應(yīng)用

磁場的存在可以大大減小水中離子間的吸引，因而使硬水中的水垢變成松散的結(jié)晶體，延緩并減少了水垢的形成。此外，經(jīng)過磁化的水，其締合水分子的含量會大大減少，單分子水的含量會顯著提升，這對提高溶質(zhì)的水溶性、減少人體結(jié)石的形成、提高農(nóng)業(yè)的灌溉效率都有很廣泛的應(yīng)用。另外，在高鹽水區(qū)域，利用強(qiáng)磁場使得正負(fù)鹽離子在洛倫茲力的作用下反向各自偏移，中間的水因鹽離子減少而淡化，這項(xiàng)海水淡化的技術(shù)因能耗較少，可以有很廣泛的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論與展望

強(qiáng)磁場的發(fā)展確實(shí)為人類帶來了很多福音，從醫(yī)學(xué)中的核磁共振儀到科學(xué)界熱議的“人造太陽”磁約束核聚變——托克馬克，強(qiáng)磁場的發(fā)展確實(shí)一定程度上推動了科技的大幅進(jìn)步。另一方面，我國在強(qiáng)磁場上的進(jìn)步和成效有目共睹，但是，仍然與美、日、德等發(fā)達(dá)國家存在較大的差距。我們已經(jīng)看到類似強(qiáng)磁場這種基礎(chǔ)研究對我國科技發(fā)展的重大作用，強(qiáng)磁場在包括材料科學(xué)內(nèi)的研究廣度和深度仍在不斷延伸，有希望形成一系列重大的材料制備新技術(shù)和新理論，在解決好技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，使強(qiáng)磁場更好的用在生產(chǎn)工作中，更好地服務(wù)社會。

參考文獻(xiàn)

[1]陳東風(fēng)，曹志強(qiáng)，楊淼，等.強(qiáng)磁場在材料科學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及理論分析[J].鋼鐵研究，2007，35（3）：58-62.

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[5]胡暉，高紅.磁場對物質(zhì)理化性質(zhì)的影響[J].磁性材料及器件，2000，31（3）：36-41.