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1、磁场是与温度、压力一样重要的物理参数,强磁场作为一种极端条件的特殊电磁场形态，能够将高强度的能量无接触地传递到物质的原子尺度，改变原子和分子的排列、匹配和迁移等行为，从而衬材料的组织和性能产生巨大而深刻的影响,强磁场加工已成为开发新型材料的一种重要技术手段。特别是随着传导冷却的新型超导磁体技术的发展，强磁场的产生和使用变得比较方便，从而为强磁场下材料制备技术的研究提供了技术基础。强磁场在材料制备过程中的应用研究2.1超导材料利用高温超导材料c轴方向的磁化率大于a,b轴方向磁化率的特性,在合成超导材料时进行强磁场处理是提高晶粒取向织构的一种有
2、效方法.早在1991年,Rango等人发现,通过在YBCO超导块材制备过程中施加5T的磁场,可以有效提高YBCO材料的晶粒取向和超导性能.这一工作导致了强磁场下超导材料制备研究的热潮.随后,Noudem等人在8T磁场下制备Bi-2223块材时,也诱导出很强的取向织构.Ma等人通过磁场下的熔融处理获得了具有高度织构度的Bi-2223/Ag带材.Liu等人报道了在Bi-2212厚带的制备过程中施加10T磁场不仅可以提高织构度,还可以提高材料的临界电流密度.另外,日本仙台的研究小组也得到了类似的结果.图1为10T磁场下所制备Bi-2212带材的微
3、观组织.从图中可以看出,经过磁场熔融处理,晶粒的取向性得到了显著提高.图1磁场中制备的Bi-2212带材的微观组织(a)0T;(b)10TAwaji等人[11]报道在YBCO块材的溶融生长过程中外加强磁场时,晶粒织构度提高明显,同时发现结晶生长速度随磁场的增加而降低.Ma等人[12~14]系统研究了强磁场下YBCO超导薄膜的生长过程以及磁场对YBCO薄膜结构、组织及超导性能的影响.实验结果表明,磁场对YBCO沉积过程中晶粒的形貌具有很大的影响,在不加外磁场的条件下,超导晶粒为8～10μm的方形.随着磁场强度的增加,晶粒尺寸减小,晶粒形状由原
4、来的方形逐渐转变为约1μm的不规则形状.同时发现外加磁场还可以改变YBCO薄膜的生长模式,即由零场下的螺旋生长模式转变为磁场下的三维岛生长模式.最重要的是,随着薄膜沉积过程中外加磁场的增加,晶粒连接性得到了显著改善,相应地薄膜的临界电流密度Jc也得到大幅度提高,如图2所示.2.2磁性材料在实际应用中,具有织构和各向异性的磁性材料一般具有比较高的性能.对永磁材料而言,疏松的单晶颗粒可以通过在磁场中旋转,使易磁化轴平行于磁场方向排列,从而达到取向的目的;也可以通过在磁场下定向凝固过程而得到高矫顽力和高磁能积的永磁材料.对于铁磁合金,可以通过以下
5、两种方法提高其织构度:(ⅰ)在保证足够过冷的条件下,从铁磁态直接进行磁场下定向凝固处理;(ⅱ)在居里温度以下,对淬火样品进行磁场退火处理.磁场下定向凝固工艺可以获得高度取向的钐钴合金,其矫顽场可高达2250kA/m,磁能积大于160kJ/m3[16].这种磁场处理方法可以替代目前工业上以粉末合金技术为基础的传统技术.最近,Cui等人[17]发现经过磁场退火以后,Nd2.4Pr5.6DyFe85B6和Nd2Fe14B/Co纳米化合物的磁性能不仅得到了明显改善,同时还可以提高磁性材料的织构性和增强交换耦合效应.另外,强磁场退火还可以有效提高Nd
6、-Fe-B磁体的矫顽力[18],如含有1.3%Dy和0.32%Al(原子百分比)的Nd-Fe-B样品在14T磁场、823K下经磁场处理后,矫顽场达到1.92T,高出零场下退火样品的37％,这主要由于在磁场退火的条件下,富钕相在定向凝固时会发生取向效应,改善了Nd2Fe14B相之间的晶格匹配,从而提高了样品的矫顽力.对于冷轧Fe-Si板等软磁性材料而言,10T磁场退火可大幅度提高Fe-Si板〈001〉轴取向的选择性,相应地改善了其机械性能[19].而FePd材料在780K,10T磁场下退火以后,Tanaka等人[20]发现了奇特的L10型单形
7、体结构.如果磁相互作用发生在铁磁态,将会出现更强或者新的磁效应.Gaucherand等人[21]观察到了铁磁Co-B合金在高温磁场下出现的织构现象,如图3所示,钴粒子在铁磁态下凝固时,材料的微观组织呈现出较强的各向异性,也就是说所有钴粒子会沿着施加磁场的方向堆积成针状.相反,在零场下定向凝固的样品,没有出现有序化现象,钴粒子随机分布.图3铁磁Co-B合金经高温磁场处理后的微观组织2.3金属材料在金属凝固过程中,利用夹杂物和金属熔体具有不同磁化率的特点,强磁场可以用来控制金属熔体的对流和物质传输,有效去除夹杂物,从而达到改善金属凝固组织的目的
8、.另外,利用结晶体磁化率各向异性的特点以及母相和生成相的磁矩差,在金属材料的再结晶、扩散析出等相变等过程中施加磁场作用时,可以使金属组织结构发生变化或者改善晶体组织的取向,从而改
