楊揮師

摘 要：材料科學在制造業(yè)中占領著很高的比重，因而一直是工科領域中的關鍵科學。隨著科學技術的不斷發(fā)展，強磁場對于材料科學的應用成為當今國際上研究的熱點。本文通過分析強磁場技術，研究材料理化性質在強磁場下的改變，以及可以應用的領域與方向。

關鍵詞：脈沖強磁場；穩(wěn)態(tài)強磁場；材料性質

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

隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展，鋼鐵、輕工、制造業(yè)等領域都離不開材料科學的支持，材料科學的發(fā)展對于推動科技的發(fā)展和國民經(jīng)濟的進步有著很大的作用。而且，材料學作為工科的關鍵學科之一，一直是高科技發(fā)展的重要理論基礎之一。隨著科學以及社會的不斷發(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，物質發(fā)生各種化學變化、物理變化的探索與研究。在物質的固有屬性的基礎上，人們進一步探索出新的規(guī)律和機制，并探究出一系列新的材料制備與改良的理論與技術。強磁場是指運用脈沖技術、超導技術產(chǎn)生的5T以上的磁場，并且也包括運用等離子體技術、混合磁體技術或者超大功率電磁鐵技術產(chǎn)生的超高磁場。在強磁場下，材料在原子尺度上有了新的變化：強磁場會重新改變原子電子的躍遷、匹配以及排布等行為，因而對材料的各項性能都會產(chǎn)生深遠的影響。

1 強磁場下材料性質的簡介

1.1 強磁場下材料的特點

傳統(tǒng)的磁性材料是指，基于半經(jīng)典量子理論計算為基礎，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。強磁場的實驗過程中，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，金屬晶粒將會進行旋轉進而融合形成單晶組織；水在強磁場下會發(fā)生變形。強磁場對物質的作用可以直達原子電子尺度，因而，它在眾多領域都有廣泛的研究應用。在一些物理領域，研究過程對象離不開特殊材料，如磁性材料、導電材料、磁光材料、多功能膜、光學晶體等，而這些材料的制備過程受強磁場的控制影響是深遠的[1]。此外，強磁場對無機高分子材料、無機非金屬材料的影響研究屬于且尚未開發(fā)完全的領域，物質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用極高的智慧發(fā)明了出來，此后，在中國科學家的一代代努力下，中國的科學家們運用努力與汗水攻克了一個又一個的難關，將我國的強磁場技術帶領至國際領先水平。華中科技大學國家脈沖強磁場中心，是我國“十一五”期間計劃建設的國家重大科技技術基礎設施，成功實現(xiàn)了90.6特斯拉的峰值強磁場，使得我國成為世界上繼美國、德國之后，第三個突破90特斯拉大關的國家。中國科學院國家強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)強磁場科學研究中心。我國在脈沖強磁場、穩(wěn)態(tài)強磁場、超導磁體等方面，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，NHMFL實驗室保持著世界穩(wěn)態(tài)磁場的最強記錄。該強磁場磁體由超導磁體、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)混合磁體的強磁場實驗中心的計劃。在日本筑波，筑波科學城中正在醞釀著40特斯拉的混合磁體計劃。在荷蘭，Nijmegen強磁場實驗室正在策劃搭建突破40特斯拉的穩(wěn)態(tài)混合強磁場。國際上對于強磁場的研究，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被歐美壟斷，在磁場研究方面，我國的科學家們還是任重而道遠的[2]。

2 強磁場下物質性質的改變

2.1 理化性質改變

以有機材料環(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)絡空間固化，經(jīng)過固化的分子網(wǎng)絡內(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)磁感應強度為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)過強磁場處理，水的PH值、電導率、折射率、表面張力變大，同時，冰點、粘度、密度和蒸發(fā)速率變小。部分難溶性物質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構變?yōu)樗缮⒌亩虠l形棒狀結構。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晶過程，對水的理化性質有較大的影響[4]。

以酒為例，將新釀制的食用酒放入磁場強度大于0.035特斯拉的磁場中靜置，磁化20天后我們發(fā)現(xiàn)酒的理化性質發(fā)生很大變化。磁化酒相比普通酒來說，其有機酸和有機酯的含量增加，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，磁化酒電導率、含氧量上升，表面張力和年度稍有下降。在化學反應方面，磁化可以加速酒的酯化反應，減少酒的陳化時間。

2.2 生物性質的改變

磁場主要對生物體內(nèi)血液中的鐵離子進行作用，而電場通過電磁波的作用，可能會引起濕疹等皮膚疾病。在強磁場中時，人體內(nèi)的各種磁性物質都會受到磁場力，同時，由于磁化作用，體內(nèi)的具有鐵離子血紅蛋白等物質將會被磁化，進而吸引體內(nèi)別的組織，對人體造成影響。若體內(nèi)存在一些磁性物質，則由于磁場的作用，這些物質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格的科學細致全面的探明，因為包括重金屬在內(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查來驗證磁場及電磁波對人體的影響。

3 強磁場在科學中的應用

3.1 材料科學方面

強磁場在高分子材料、鐵磁性材料、非導磁性物質的方面，有著較為廣泛的應用。在高分子液晶材料方面，熱固性高分子液晶材料在強磁場下，晶體的取向行為、熱效應、磁響應特性、固化成型過程都有較為嶄新的特性，作為其力學性能和磁場關系的定量分析，有著較為深遠的前景。在功能高分子材料方面，國際上某些高分子材料纖維經(jīng)過強磁場處理后，可達到銅導電率的1/5，是極具潛力的導電儲能材料。國際上高導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)運用于軍工領域。

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

3.2 生物醫(yī)學工程方面

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)橛行颉Ｔ偌由虾途鶆虼艌龃怪钡母哳l磁場后，核磁矩產(chǎn)生拉莫進動。當疊加場頻率與核磁矩自有頻率一致時，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的組織結構。

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)學發(fā)展的貢獻是巨大的。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，目前在醫(yī)學影像學中，有著極為廣泛的應用。

3.3 其他方面的應用

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，這對提高溶質的水溶性、減少人體結石的形成、提高農(nóng)業(yè)的灌溉效率都有很廣泛的應用。另外，在高鹽水區(qū)域，利用強磁場使得正負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，這項海水淡化的技術因能耗較少，可以有很廣泛的應用前景。

4 結論與展望

強磁場的發(fā)展確實為人類帶來了很多福音，從醫(yī)學中的核磁共振儀到科學界熱議的“人造太陽”磁約束核聚變——托克馬克，強磁場的發(fā)展確實一定程度上推動了科技的大幅進步。另一方面，我國在強磁場上的進步和成效有目共睹，但是，仍然與美、日、德等發(fā)達國家存在較大的差距。我們已經(jīng)看到類似強磁場這種基礎研究對我國科技發(fā)展的重大作用，強磁場在包括材料科學內(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和新理論，在解決好技術發(fā)展的同時，使強磁場更好的用在生產(chǎn)工作中，更好地服務社會。

參考文獻

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

[2]程從前，楊鵬，朱鳳，等.強磁場在材料科學中的應用[J].中國材料科技與設備，2006，（3）：6-9.

[3]蔣秉植，楊健美.磁場對某些化學反應的影響[J].化學通報，1991，（10）：11-15.

[4]林敏鶴，趙恒力，張允宏.超導強磁場的應用[J].低溫與超導，1984，（4）：64-71.

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