强磁场下材料理化性质的改变

强磁场下材料理化性质的改变

作者：杨挥师

来源：《中国科技纵横》2018年第21期

摘要：材料科学在制造业中占领着很高的比重，因而一直是工科领域中的关键科学。随着科学技术的不断发展，强磁场对于材料科学的应用成为当今国际上研究的热点。本文通过分析强磁场技术，研究材料理化性质在强磁场下的改变，以及可以应用的领域与方向。

关键词：脉冲强磁场；稳态强磁场；材料性质

中图分类号：TD97 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）21-0235-02

随着国家经济的发展，钢铁、轻工、制造业等领域都离不开材料科学的支持，材料科学的发展对于推动科技的发展和国民经济的进步有着很大的作用。而且，材料学作为工科的关键学科之一，一直是高科技发展的重要理论基础之一。随着科学以及社会的不断发展，科技对于材料的性能要求也越来越高，从而激发了人们在各种极端特殊的条件下，物质发生各种化学变化、物理变化的探索与研究。在物质的固有属性的基础上，人们进一步探索出新的规律和机制，并探究出一系列新的材料制备与改良的理论与技术。强磁场是指运用脉冲技术、超导技术产生的5T以上的磁场，并且也包括运用等离子体技术、混合磁体技术或者超大功率电磁铁技术产生的超高磁场。在强磁场下，材料在原子尺度上有了新的变化：强磁场会重新改变原子电子的跃迁、匹配以及排布等行为，因而对材料的各项性能都会产生深远的影响。

1 强磁场下材料性质的简介

1.1 强磁场下材料的特点

传统的磁性材料是指，基于半经典量子理论计算为基础，该磁性材料含有3d或者4f电子的金属材料。在电磁场下，磁性材料将会受到四种力：磁化力、极化力、库仑力和洛伦兹力。强磁场的实验过程中，我们发现了在自然界中从未发现过的特殊现象：如在金属凝固过程中，金属晶粒将会进行旋转进而融合形成单晶组织；水在强磁场下会发生变形。强磁场对物质的作用可以直达原子电子尺度，因而，它在众多领域都有广泛的研究应用。在一些物理领域，研究过程对象离不开特殊材料，如磁性材料、导电材料、磁光材料、多功能膜、光学晶体等，而这些材料的制备过程受强磁场的控制影响是深远的[1]。此外，强磁场对无机高分子材料、无机非金属材料的影响研究属于且尚未开发完全的领域，物质的磁性自古以来就引起了人类浓厚的兴趣。

1.2 国内发展现状

指南针，早在3000年之前被中国古代劳动人民运用极高的智慧发明了出来，此后，在中国科学家的一代代努力下，中国的科学家们运用努力与汗水攻克了一个又一个的难关，将我国的强磁场技术带领至国际领先水平。华中科技大学国家脉冲强磁场中心，是我国“十一五”期间计划建设的国家重大科技技术基础设施，成功实现了90.6特斯拉的峰值强磁场，使得我国成为世界上继美国、德国之后，第三个突破90特斯拉大关的国家。中国科学院国家强磁场中心的建立使得我国成为与美国、法国、荷兰、日本并列的，世界五大稳态强磁场科学研究中心。我国在脉冲强磁场、稳态强磁场、超导磁体等方面，俨然已经走在世界前列。

1.3 国外发展现状

在美国佛罗里达，NHMFL实验室保持着世界稳态磁场的最强记录。该强磁场磁体由超导磁体、水冷磁体两部分搭建完成，并且在1993年开始策划突破48T的稳态混合磁体的强磁场实验中心的计划。在日本筑波，筑波科学城中正在酝酿着40特斯拉的混合磁体计划。在荷兰，Nijmegen强磁场实验室正在策划搭建突破40特斯拉的稳态混合强磁场。国际上对于强磁场的研究，欧美等国一直走在中国的前面，因而类似于核磁共振等技术被欧美垄断，在磁场研究方面，我国的科学家们还是任重而道远的[2]。

2 强磁场下物质性质的改变

2.1 理化性质改变

以有机材料环氧树脂为例，把环氧树脂放置于0.12特斯拉磁场静置后，我们发现固化的环氧树脂的网络空间固化，经过固化的分子网络内，原子的排布更加完善。经测量，材料的电阻值有了较大的提升，此外，材料的表面张力也有一定的下降[3]。

以水为例，水经磁感应强度为0.2特斯拉的磁场磁化后，理化参数均有明显的变化：经过强磁场处理，水的PH值、电导率、折射率、表面张力变大，同时，冰点、粘度、密度和蒸发速率变小。部分难溶性物质如碳酸钙的溶解度在磁化水中增大。另外，磁场会抑制水垢的形成。经过研究发现，经过磁化的水，其水垢晶的排列方式发生变化，由原先紧密的长条形棒状结构变为松散的短条形棒状结构。由此可见，磁场的存在影响了碳酸钙、碳酸镁等水垢主要成分的结晶过程，对水的理化性质有较大的影响[4]。

以酒为例，将新酿制的食用酒放入磁场强度大于0.035特斯拉的磁场中静置，磁化20天后我们发现酒的理化性质发生很大变化。磁化酒相比普通酒来说，其有机酸和有机酯的含量增加，甲醇和其他杂醇含量明显降低，并且杂醇油的含量也有下降。此外，磁化酒电导率、含氧量上升，表面张力和年度稍有下降。在化学反应方面，磁化可以加速酒的酯化反应，减少酒的陈化时间。

2.2 生物性质的改变

磁场主要对生物体内血液中的铁离子进行作用，而电场通过电磁波的作用，可能会引起湿疹等皮肤疾病。在强磁场中时，人体内的各种磁性物质都会受到磁场力，同时，由于磁化作用，体内的具有铁离子血红蛋白等物质将会被磁化，进而吸引体内别的组织，对人体造成影响。若体内存在一些磁性物质，则由于磁场的作用，这些物质也会对人体健康造成影响，例如一些重金属在体内长期积累，加上磁场的作用，势必对人体造成危害。但是磁场的危害还没有严格的科学细致全面的探明，因为包括重金属在内，外界的各种危害都是日积月累的作用，我们需要长期的跟踪调查来验证磁场及电磁波对人体的影响。

3 强磁场在科学中的应用

3.1 材料科学方面

强磁场在高分子材料、铁磁性材料、非导磁性物质的方面，有着较为广泛的应用。在高分子液晶材料方面，热固性高分子液晶材料在强磁场下，晶体的取向行為、热效应、磁响应特性、固化成型过程都有较为崭新的特性，作为其力学性能和磁场关系的定量分析，有着较为深远的前景。在功能高分子材料方面，国际上某些高分子材料纤维经过强磁场处理后，可达到铜导电率的1/5，是极具潜力的导电储能材料。国际上高导电率的高分子材料以及防静电、放电磁辐射的电磁波吸收材料已经运用于军工领域。

在金属材料方面，因为杂质与金属具有不同磁化率，在金属凝固过程中，强磁场可以用来控制金属的对流，进而提高冶炼成品的金属值，有效去除杂质。此外，利用金属晶体磁化率母相和生成相的磁矩差，以及结晶体磁化率各向异性的特点，我们可以在金属体结晶等生产过程中施加磁场的作用，可以控制和改善金属晶体的结构，进而提高金属材料的性能品质，也可以通过这种办法设计出新型金屬材料[5]。

3.2 生物医学工程方面

核磁共振的主要原理是：研究对象中的某些原子核具有净自旋，这些自旋的原子核在均匀磁场中由无序变为有序。再加上和均匀磁场垂直的高频磁场后，核磁矩产生拉莫进动。当叠加场频率与核磁矩自有频率一致时，就产生共振，核磁矩跃迁至激发态，我们利用核磁矩的密度分布来了解物质的组织结构。

核磁共振目前已经用于临床检测早期癌症肿瘤、早起检测心脑血管类疾病，其对于人类的医学发展的贡献是巨大的。和普通X射线的CT成像相比，核磁共振成像有着成像清晰且无辐射危害的优点，目前在医学影像学中，有着极为广泛的应用。

3.3 其他方面的应用