电磁场在材料加工中应用现状及发展趋势_宋长江

金属凝固组织的脉冲磁场细化技术
闫猛;宋长江;翟启杰
【期刊名称】《现代铸铁》
【年(卷),期】2008(028)006
【摘要】介绍了脉冲磁场对纯会属、低熔点合金和高熔点铁基材料凝固组织的影响.认为脉冲磁场细化纯铝、1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢的凝固组织时,存在一个最佳磁场强度值;而脉冲频率对纯铝凝固组织的细化效果影响较小;随着磁场强度的增大,纯铜的凝固组织逐渐细化;脉冲磁场能使灰铸铁凝固组织细化,石墨片的宽度减少.指出脉冲磁场细化凝固组织的机理尚无统一认识,在一定程度上限制了该技术的工业应用.
【总页数】5页(P32-36)
【作者】闫猛;宋长江;翟启杰
【作者单位】上海大学,上海市现代冶金及材料制备重点实验室,上海,200072;上海大学,上海市现代冶金及材料制备重点实验室,上海,200072;上海大学,上海市现代冶金及材料制备重点实验室,上海,200072
【正文语种】中文
【中图分类】TG249.9
【相关文献】
1.熔体温度处理细化金属凝固组织的研究进展 [J], 何树先;王俊;孙宝德;周尧和
2.电脉冲对细化金属凝固组织的影响现状 [J], 杜慧玲;王建中;刘兴江
3.脉冲电流细化金属凝固组织研究综述 [J], 仲红刚;高玉来;翟启杰
4.低压脉冲磁场对铸态IN718高温合金凝固组织细化的影响 [J], 李应举;马晓平;杨院生
5.低压脉冲磁场对铸态IN718高温合金凝固组织细化的影响 [J], 李应举;马晓平;杨院生
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电磁技术在金属材料科学与工程中的应用摘要：电磁技术是一项覆盖范围广、应用范围广的重要技术。

电磁效应是自然界广泛存在的一种重要资源。

将电磁学、工程学与材料领域相结合，可以提高材料工作的研究方向，提高材料的性能和结构。

在新材料领域，电磁技术的应用相对较晚，但发展势头良好，投入应用的场景较多，已成为广泛灵活应用、技术手段多样、多学科融合的研究领域。

关键词：电磁技术；金属材料科学与工程；应用1电磁技术在金属材料科学与工程中的应用方式1.1 电磁铸造电磁铸造技术最早出现在1960年代,它使用电磁力产生的单匝水冷铜线圈电磁感应器,形成一个电磁场,支持和牵引的金属熔化和形状根据金属铸造的实际需要。

在此过程中，几乎不与金属熔体接触模具，可以延长模具使用寿命，技术操作简单，铸造效率高，坯料质量更好。

在电磁铸造过程中，接通交流电后，电感器会产生交变磁场，将金属熔体放入其中。

液态金属在感应涡流的作用下冷却凝固，形成铸件。

在此过程中，液态金属受到电磁力的牵引束缚，不与传感器接触，可避免组件偏析，保证晶粒细小，组织均匀，铸件光滑。

电磁铸造技术至今仍广泛应用于金属材料的铸造和加工。

随着技术的发展，电磁铸造的生产工艺有了进一步的提高，机械化、自动化程度有了明显的提高。

电磁连铸技术的应用，进一步提高了金属连铸率和铸件质量。

在电磁连铸过程中，采用了软接触结晶器和电感器。

在电磁力和模具的共同作用下，可降低液态金属与模具的接触压力和振动摩擦，保证渗流顺畅，保证坯料表面质量及其内部质量。

电感线圈匝数、电感位置和电源是影响结晶器磁场分布的主要因素，直接关系到电磁铸造的质量，应根据电磁连铸的需要合理调节。

随着电磁铸造基础的发展和创新，金属铸造缺陷将逐步得到改善，铸件的性能和质量将得到显著提高。

1.2 电磁搅拌电磁搅拌是使用电磁感应产生的力量,改变形式的液态金属,与人工搅拌相比,电磁搅拌可以使液态金属来实现所需的形式,对连铸坯成型效果更好,然后提高金属纯度,降低组件隔离。

电磁场在材料科学中的应用前景电磁场是一种广泛存在于自然界中的物理现象，它不仅在我们日常生活中起着重要的作用，也在科学研究和工程应用中发挥着不可或缺的作用。

在材料科学领域，电磁场的应用前景十分广阔，涉及到材料的制备、改性、性能调控等多个方面。

首先，电磁场在材料的制备中起着关键作用。

以电磁场为驱动力的物理和化学过程可以实现对材料结构和形貌的精确控制。

例如，利用电磁场辅助的溶剂热法可以制备出具有特殊形貌和结构的纳米材料。

通过调控电磁场的频率、强度和方向，可以精确控制纳米颗粒的尺寸、形状和分布，从而实现对材料性能的精确调控。

此外，电磁场还可以通过对材料的电磁激发，实现对材料的光学、电学、磁学等性能的调控，为制备具有特殊功能的材料提供了新的途径。

其次，电磁场在材料的改性中具有潜在应用。

通过利用电磁场的热效应，可以实现对材料的表面和界面的改性。

例如，利用激光等电磁辐射源可以实现对材料表面的局部加热，从而实现对材料表面的形貌和性能的调控。

此外，电磁场还可以通过对材料的激发，实现对材料内部结构和相变行为的调控。

例如，利用电磁场的磁效应可以实现对材料的磁性和磁相变行为的调控，为制备具有特殊磁性的材料提供了新的途径。

此外，电磁场在材料的性能调控中也具有重要作用。

电磁场可以通过对材料的激发，实现对材料的光学、电学、磁学等性能的调控。

例如，利用电磁场的光效应可以实现对材料的光吸收、光发射和光传输等性能的调控，为制备具有特殊光学性能的材料提供了新的途径。

此外，电磁场还可以通过对材料的电磁激发，实现对材料的电导率、磁导率和介电常数等性能的调控，为制备具有特殊电磁性能的材料提供了新的途径。

综上所述，电磁场在材料科学中的应用前景十分广阔。

通过对电磁场的精确控制，可以实现对材料结构、形貌和性能的精确调控，为制备具有特殊功能的材料提供了新的途径。

同时，电磁场还可以通过对材料的激发，实现对材料的表面和界面的改性，为制备具有特殊表面和界面性能的材料提供了新的途径。

磁性材料行业现状与发展前景分析作者：李亚峰来源：《新材料产业》 2018年第7期磁性材料是一类重要的基础功能材料，应用范围十分广泛，如电子、信息、电动工具、汽车、家电等行业对磁性材料有着不可替代的需求。

同时由于当前国家提倡节能环保、绿色发展，作为一种清洁能源，磁性材料更是在节能环保、新能源、电动汽车、智慧城市、智慧地球等新兴领域中得到越来越广泛的应用，甚至开始应用于机器人、无人机、航空航天、卫星遥感等军事国防领域。

特别是其中价格低廉、资源丰富的铁氧体永磁材料，整体市场需求在以每年10%～15%的速度高速增长。

另外，磁性材料作为当前国家重点发展的行业之一，其发展一直受到国家产业政策的大力支持。

本文对磁性材料背景和现状进行阐述，采用波特五力模型对磁性材料行业发展前景进行分析，磁性材料行业的逐渐发展，竞争态势日益严峻，企业只有依靠技术进步和产品升级来提高市场竞争力提高经营效益，实现业绩稳步增长。

一、磁性材料分类及其产业链现状磁性材料按照材质可以分为金属磁性材料和非金属磁性材料2大类，前者由于价格昂贵，应用范围比较窄，多集中于军工和高档电子产品领域。

例如钕铁硼、钐钴等金属磁体，在近几年由于资源紧张以及对未来应用增加的预期导致价格出现剧烈变化，严重影响了应用领域的开发和新市场的推广[1]。

而非金属磁性材料由于价格低廉，性能稳定，适用于比较恶劣和严峻的环境，因此大量使用于各领域。

非金属永磁材料中最主要的一类产品是铁氧体永磁材料。

永磁铁氧体所用原材料为钢厂的副产品铁鳞、铁红等，经过高温回转窑烧制而成。

其工艺简便成熟、价格低廉、单位磁能积的价格低，具有耐腐蚀、适合于恶劣工作环境等优点，广泛用于电子、电气、机械、运输、医疗及生活用品等各领域。

磁性材料制造企业按照产业链可以分为上游制备不同性能和粒度的粉体原材料制造企业和下游利用原料磁粉采取不同加工方式如烧结压制成型、注射成型、挤出、压延等进行制品加工的电子元器件企业。

浅谈电磁技术在金属材料科学与工程中的应用摘要：在我国现代化建设不断发展的过程中，电磁技术在工程与金属材料制造领域的应用越来越广泛，本文对电磁技术的内涵进行了详细的介绍，对强磁场、电磁悬浮、电磁感应加热、电磁净化、电磁制动、电磁铸造、电磁搅拌等技术的发展现状进行了阐述与分析，希望可以起到参考作用。

关键词：数值模拟；材料科学；电磁技术电磁技术是一项覆盖面大、应用广泛的重要技术，电磁作用一种重要资源广泛存在于自然界。

在我国科学技术不断发展的大背景下，电磁技术与其他学科之间的联系越来越紧密，该技术目前已经应用于国防、生物、农业、医学、机械、环保以及节能等领域。

传统电磁学包含边缘磁学、应用磁学、材料磁学、基础磁学等分支。

将电磁与工程与材料领域结合起来，能够对材料工作的研究方向与材料的性能与组织起到改善作用。

在新型材料领域，电磁技术的应用相对比较晚，但是发展势头良好，投入于产生应用的场景比较多，目前已经成为应用灵活广泛、工艺手段多样、多学科交融的研究领域。

一、电磁技术在材料中的应用形式根据电磁场使用形式与生成方式的差异，可以将电磁场在工程与材料学中的应用分为强磁场技术、电磁悬浮技术、电磁感应加热技术、电磁净化技术、电磁制动技术以及电磁搅拌技术等。

1.1电磁搅拌电磁搅拌指的是通过电磁感应所生成的作用力来促使液态金属以人类的意愿进行运动。

在交流感应方面，这方面的原理可以参考异步电机，由多相线圈绕组而产生旋转磁场或行波磁场，由于液态金属自身具有比较强的导电性，磁场与感应电流作用下会生成电磁力，在电磁力的作用下搅拌液态金属。

从本质上说电磁搅拌即是以电磁力为基础，加速铸坯内液态金属的运动，实现处于凝固过程中的液态金属产生迁移、传热以及流动，使铸坯质量得到改善。

经实验研究发现，在金属凝固的过程中，对其进行电磁搅拌，可以起到减轻偏析、降低非金属杂质含量、增加等轴晶率以及改善凝固组织等方面的作用。

比如在铝合金材料的生产中，在液态材料不断凝固的过程中，加以电磁搅拌，可以降低生产工具与物料的损耗、提高合金质量，进而提升铝合金材料生产的经济性与安全性。

电磁辐射在材料科学中的应用电磁辐射是一种能量的传播形式，具有广泛的应用领域。

在材料科学中，电磁辐射被广泛应用于材料的制备、改性和表征等方面。

本文将就电磁辐射在材料科学中的应用进行探讨。

一、电磁辐射在材料制备中的应用1. 光学薄膜的制备光学薄膜在光学器件、显示器件等领域有着广泛的应用。

典型的制备方法为物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD），其中PVD 的主要能量源为电磁辐射。

通过将材料置于真空环境中，加热材料并施加辐射能量，使材料蒸发并沉积在基底上形成薄膜。

2. 电子束熔化成型电子束熔化成型是一种利用电子束进行材料制备的先进技术。

通过将材料放置在电子束的作用下，材料受热融化并迅速凝固成型。

电子束的辐射能量可以精确控制，使得材料制备的过程更加灵活和精细。

3. 激光熔化成型激光熔化成型是一种利用激光辐射能量进行材料加工的方法。

通过将激光束聚焦到材料表面上，材料受热融化并迅速凝固成型。

激光的辐射能量可以精确控制，使得材料加工过程更加高效、精细和可控。

二、电磁辐射在材料改性中的应用1. 电子束辐照改性电子束辐照改性是一种利用电子束辐射能量对材料进行物理和化学性质改变的方法。

通过调节电子束的能量和剂量，可以改变材料的结构和性能。

例如，电子束辐照可以使材料硬化、提高抗腐蚀性能和提高材料的导电性能。

2. 激光热处理激光热处理是一种利用激光辐射能量对材料进行热处理的方法。

通过调节激光束的能量和扫描速度，可以在材料表面形成特定的相变结构和晶格缺陷，从而改变材料的力学性能和表面特性。

激光热处理可以实现对材料硬化、强化和表面改性等目的。

三、电磁辐射在材料表征中的应用1. X射线衍射X射线衍射是一种应用X射线辐射进行材料结构分析的方法。

通过测定材料对X射线的衍射情况，可以确定材料的晶体结构、晶格参数和晶体缺陷等信息。

X射线衍射广泛用于材料的结构表征、晶体缺陷分析和材料相变的研究等方面。

2. 红外光谱分析红外光谱是一种应用红外辐射进行材料分子结构分析的方法。

第14卷第5期2008年10月上海大学学报(自然科学版)JOURNAL OF SHANGHA IUN I V ERSI TY (NAT URAL SC I E NCE )Vol .14No .5Oct .2008收稿日期:2008206209　基金项目:国家杰出青年科学基金资助项目(50225416);国家自然科学基金资助项目(50234020);教育部长江学者和创新团队发展计划基金资助项目(I RT0739)通信作者:任忠鸣(1958～),男,教授,博士生导师,博士,研究方向为电磁场在冶金和材料制备中应用和金属凝固.E 2mail:z m ren@shu .edu .cn 文章编号:100722861(2008)0520446210・综　述・强磁场在金属材料制备中应用研究的进展任忠鸣,　晋芳伟(上海大学材料科学与工程学院,上海200072)摘要:强磁场下金属材料制备加工过程是一个新兴的研究领域,近年来发展迅速.作者综述了这一领域的主要进展,重点讨论了强磁场的晶体取向作用、磁场对金属凝固的作用、磁场下金属热处理和磁场的相变热力学效应等,指出强磁场对金属材料制备的影响是独特和复杂的,具有广阔的发展前景.同时分析了需进一步研究的主要方向.关键词:金属材料;强磁场;材料制备;晶体;磁力中图分类号:TG 111 文献标志码:AProgress i n Appli ca ti on s of Strong M agneti c F i eld i nProcessi n g M et a lli c M a ter i a lsREN Zhong 2m ing,　J I N Fang 2wei(School of M aterials Science and Engineering,Shanghai University,Shanghai 200072,China )Abstract:Pr ocessing metallic materials under a str ong magnetic field is a ne wly e merging research area,and undergoes fast devel opment .Main p r ogresses in this area are revie wed,with the f ocus on the influence of str ong magnetic field on align ment and orientati on of crystals,s olidificati on of metals,heat treat m ent of all oys,and ther modyna m ics of phase transf or mati on .It is shown that the influence of str ong magnetic field is unique and co mp licated,with p r om ising p r os pects .Pr oble m s in this area that need further research are discussed .Key words:metallic materials;str ong magnetic field;p r ocessing of materials;crystal;magnetic force 任何物质均具有磁性,在10T 量级的磁场中即使非铁磁物质也将发生较明显的变化.而磁场的作用为非接触,特别是其作用横跨宏观到微观的各个层次,可直接影响电子等微观粒子的行为,因而其作用广泛和显著.磁场对物质有3种基本作用:(1)物质在磁场中被磁化,从而改变其热力学状态;(2)磁场对物质的吸引或排斥作用,即磁力;(3)在导体中存在电流的情况下,磁场与电流作用产生洛伦兹力.利用这3种作用,在材料制备中施加足够强的磁场,就可影响制备过程,从而制备出常规方法难以制备的新材料.通常对于非铁磁性材料,磁场的强度达到10T 量级方可产生明显的作用.受超导技术发展的推动,10T左右磁场的获得日益方便和经济,因而近年来10T左右的强磁场下的材料制备迅速成为研究的热点.至今的研究涉及的材料和过程相当广泛,本工作将对其中主要的进展加以评述.1　强磁场下晶体取向研究晶体具有磁各向异性,在磁场中有受磁力作用而发生取向排列的倾向.1981年前苏联科学院莫斯科冶金研究所的Savitsky等[1]进行了晶体在强磁场中取向的研究,观察到近共晶和过共晶成分的B i2 Mn合金在2.5T强磁场中凝固时,MnB i相颗粒沿磁场方向发生取向.磁性能的测量表明,合金的磁化和磁导率为各向异性,晶体的磁各向异性是产生取向的根本原因.几乎同时,M ikels on和Karklin[2]对A l2N i,Cd2Zn,B i2Cd,A l2Cu合金体系进行了磁场下的凝固研究,发现在一定磁场强度下,合金中的析出相出现组织取向,并给出B=1T时,A l235%Cu及Zn240%Cd合金发生取向的微观组织.他们在理论上提出磁场使晶体旋转取向和抑制对流的概念,并作了相应探讨.1998年,A sai等[3]研究了B i24%Mn合金及A l2 11%Si22%Fe合金分别在强磁场中的凝固现象,发现B i2Mn合金中的析出相Mn B i晶粒沿磁场方向取向,而后一种合金的析出相则垂直于磁场方向排列取向.随后Yasuda[425]在B i2Mn合金的半固态凝固中获得取向组织,任忠鸣[6211]等在B i2Mn合金的不同凝固状态下获得不同的取向组织,在A l2N i合金中获得横向排列的取向组织.A sai等根据经典的磁化理论引入磁化能,并从形状磁各向异性能、磁晶各向异性能的角度出发,以能量最低原理解释了实验现象.对于非磁性材料,发生磁取向通常需要满足3个条件[12]:第一是晶体元胞具有磁各向异性;第二是磁各向异性能大于热能,即|ΔU|V>kT,(1)式中,V是粒子的体积,k是Boltz mann常数,T是热力学温度,ΔU是晶体不同方向的磁化能差,被定义为ΔU=Ui -U j,　U i=-χi2μ0(1+Nχi)B2,(2)式中,下标i,j表示晶体的不同方向,χ为磁化率,μ0为真空磁导率,N为退磁因子;第三是介质的约束较弱以至弱磁化力能使晶体发生转动.弱磁性(顺磁性、抗磁性)金属或合金在磁场中凝固时主要以旋转取向机制形成凝固组织.其旋转机制的动力学研究,目前有2种模型.一种是把旋转晶粒当作球体处理[13],这就假定晶粒具有磁晶各向异性,即晶粒在各个方向的磁化率是不同的,其转动的驱动力矩就是由这种磁晶各向异性产生的,它具有如下的形式:T=12μ0VΔχB2sinθ,(3)式中,Δχ=χ1-χ2,θ为磁化方向(χ1)与磁场强度方向的夹角.阻碍晶粒转动的阻力矩由洛伦兹力和粘滞阻力产生,它们分别有如下的形式:L=415πr5σB2dθd t,(4)R=8πηr3dθd t,(5)式中,r为晶粒半径,σ,η分别表示熔体的电导率和动力学粘度.旋转取向机制的另一种动力学模型是将旋转晶粒当作椭球体处理[14],椭球体的长轴和半轴方向具有不同的磁化率,这可理解为晶粒具有形状磁各向异性,当然也包括磁晶各向异性.这种情况晶粒受到的驱动力矩和上一种情况具有相同的形式,只是其中的磁化率差变为Δχ=χa-χc,χa,χb分别为椭球体短轴和长轴方向的磁化率.其阻力矩则具有下面的形式: Tf=16π3η(c4-a4) 2c2-a2c2-a2ln c+c2-a2a-cdθd t,(6)式中,a,b分别为椭球体半长轴和半短轴的长度.晶体磁取向的研究不仅限于金属材料,在非金属材料中也受到重视.在强磁场中制备超导材料亦可得到取向排列的组织,而且取向具有遗传性[15216],在8T磁场中制备B i22223超导体时,试样部分熔化并凝固就形成c轴平行于磁场的B i22212晶粒,随后在840℃无磁场进一步烧结,则转变为具有c轴取向的B i22223晶粒,这种转变表明晶粒取向具有遗传性.在850～855℃,10T强磁场中烧结,发现B i22223和B i22212晶粒的混合组织c轴平行于磁场方向取向,但在温度低于845℃,同样于10T 强磁场中烧结,只获得B i22223相含量更高的组织,没有观察到取向发生,这表明在磁场中形成织构组织时,液相很重要.同时也进一步证实旋转取向机制744　第5期任忠鸣,等:强磁场在金属材料制备中应用研究的进展 的存在[13214].10T 强磁场用于超导材料B i 2Sr 2CaCu O x [17]和Mg B 2的结晶过程研究[18],表明磁场不但影响了晶粒的取向,而且提高了材料的超导性能,与无磁场的相比较,施加强磁场时,制备出的超导材料具有更高的临界温度、更大的电流密度和更小的正常态电阻率.而且研究还表明,B i 22212晶体具有层片状叠层沿磁场方向取向.取向组织对于改善陶瓷的性能很有利,因而在强磁场中通过顺磁或抗磁陶瓷粒子的相互作用获得取向组织而改善陶瓷的性能很有发展前景.利用钛白作为原料,高密度晶粒取向的钛氧陶瓷在强磁场下被成功制备[19].X 射线衍射实验表明,细粉末颗粒的c 轴平行于外加磁场取向,制备试样的密度高达理论密度的98%.在强磁场中通过滑铸(sli pcasting )可制备出具有择优取向的Si 3N 4陶瓷[20].尽管非磁性Si 3N 4陶瓷的磁化率很小,但利用强磁场仍可控制Si 3N 4的晶体取向.通过X 射线衍射研究Si 3N 4的取向并计算取向程度,其结果表明,β2Si 3N 4相具有a,b 轴平行于磁场而c 轴垂直于磁场的取向.在烘干氧化铝糊状物并等压冷却的过程中施加强磁场,可得到具有粒子(球形、狭长形)取向的粉末致密体[21].从能量的角度分析,磁场使晶体取向的原理是,晶粒受力矩作用转到一稳定的方向,以便减少磁化能.由式(2)可知,粒子具有磁各向异性时,不同方向磁化率不同,磁化能也就不同.图1表示了六角结果晶体的磁各向异性.图1中,带箭头线段的长度表示磁化率的大小,χc ,χa,b 分别表示在c 轴及a,b 轴方向的磁化率.当χc >χa,b 时,则有U c <U a,b ,晶体的c 轴容易平行于磁场方向取向;相反,如果χc <χa,b ,则有U c >U a,b ,于是晶体的a 轴或b 轴易于平行于磁场方向取向,也就是说,粒子的c轴可以在垂(a )χc >χa,b (b )χc <χa,b图1　六角结构晶体的磁各向异性示意图F i g .1　A sche ma ti c v i ew hexagona l w ith magneti can isotropy直于磁场方向的所有平面内,因此,在这种情况下,不能得到单轴取向晶体组织.这种取向过程可表示于图2.(a )χc >χa,b(b )χc <χa,b图2　磁各向异性晶体取向示意图F i g .2　Schema ti c v i ew of the cryst a l or i en t a ti onw ith magneti c an isotropy 除金属、合金以及陶瓷材料外,在其他非金属复合材料的制备中,施加强磁场亦能诱导出取向组织.在磁场下可制备具有取向结构的羟磷灰石层(HAp )/胶质复合材料[22].将含钙胶质溶液和含磷的溶液混合在一起于37℃保温,热诱导胶质分子和HAp 晶体同时发生聚合(自组装),由于胶质纤维和HAp 晶体都具有磁各向异性,因此用磁场诱导可获取取向组织.但胶质纤维的χc <χa,b ,为获得单一取向需将样品绕垂直于磁场的方向旋转.实验结果表明,胶质纤维发生定向取向,而且有少量结晶的HAp 纳米晶体紧密地黏附在胶质纤维表面.这种材料和自然界生物材料,如骨质材料,具有类似的结构和组分.HAp 在磁场中取向的机制见图3.在高分子和生物材料的研究中,进行纤维蛋白的聚合并观察溶液中纤维蛋白原的演化,发现在强磁场下其聚合物高度取向[23].另外,聚乙炔薄膜在数特斯拉的强磁场下合成时也高度取向[24].施加水平磁场能使α2甘胺酸晶体与磁场方向成45°角取向,同时影响晶体c 2轴方向的生长速率,8T 磁场中生长速率降低约20%[25]. 晶体在磁场中的取向原理是能量最低原理,现有研究集中在晶体在磁场中转向而降低能量的研究方面.这方面仍需在基本模型方面开展研究,以能描述磁场、晶体各向异性、晶体颗粒间相互作用、介质844 上海大学学报(自然科学版)第14卷　图3　HAp在磁场中取向的示意图F i g.3　A schema ti c illustra ti on de m on stra ti n g HAp cryst a lsbe i n g or i en ted by appli ca ti on of a h i gh magneti cf i eld的影响等,为实际应用提供基础.另一方面一直被忽视的研究课题是,晶体不同方向上的磁化能量有差别,这种差别将影响晶体不同方向上的生长速度,因而影响晶体的形貌,即磁场诱导晶体取向生长.由于磁场较小,至今这一方面的研究尚较少.2　强磁场下金属凝固研究金属凝固是金属材料制备的基本过程,磁场下金属凝固一直受到人们的重视.近来,任忠鸣等在强磁场中对A l2Cu合金进行了多方面定向凝固实验研究,发现了一些有重要价值的现象.在亚共晶A l2Cu 合金定向凝固中,磁场使得固/液界面变形,造成界面失稳,促使平面向胞晶、胞晶向枝晶转变和枝晶的分枝细化.在枝晶生长中发生重新取向的现象,但在一定凝固速度下,枝晶的形态出现混乱,生长的对称性被破坏.在试样的横界面上甚至产生奇特的环状组织,晶体的〈111〉方向转向磁场方向.这些现象与热电磁力的作用以及磁场取向作用相关[26229].在坩埚的宏观尺度以及枝晶尺度内因温度的差别,导致热电势的产生,其所形成的微弱电流与强磁场作用,产生可观的洛伦兹力,从而导致热电磁对流和枝晶内的应力,进而造成凝固过程和组织的变化.在磁场下A l2A l2Cu共晶合金的定向凝固中[30231],[001]A l ,[002]A l2Cu晶向倾向于沿磁场方向取向.施加磁场后试样横截面(与磁场方向垂直的截面)组织由无磁场时的典型共晶层片组织变为紊乱的层片组织,同时片间距明显减小.而纵截面(沿磁场方向)的组织仍为层片组织,层片间距同样是随磁场强度的增加而减小.另外,当磁场强度增大到约4T以后,试样组织中出现宏观偏析层,其微观组织主要为A l2Cu.磁取向现象仍可从降低系统磁化能的角度定性解释,强磁场引起偏析及减小共晶层片间距可以认为是磁场抑制扩散所导致.共晶间距和扩散系数的关系可表示为λ2V=D LΓ1m b-1m aC E(1-k),(7)式中,k=C3SC L,Γ=σS LΔS,λ是层片间距,D L为液2固扩散系数,CE是共晶成分,k为平衡分数,σS L是液2固表面能,ma,m b分别是α相和β相在共晶中的液相线斜率,ΔS表示熵的变化.外加磁场时使扩散系数D L减小,根据式(7),层片间距将减小.在10T强磁场下对Pb2Sn共晶合金沿磁场方向进行定向凝固实验发现[32],强磁场下定向凝固耦合生长的Pb2Sn共晶两相组织的排列方向明显偏离磁场方向(即定向生长方向),在较大拉速的情况下甚至出现横向起伏生长.这种现象的产生与领先相Pb的磁性能相关.因抗磁性的Pb相的易磁化方向与最优生长方向不一致,因而导致磁场下生长方向的改变.10T强磁场对B i/MnB i共晶定向凝固组织有显著影响[33].与普通定向凝固相比较发现,同样凝固参数下,强磁场下凝固的共晶组织纤维尺寸变大,纤维间距变宽,而且在纵截面上观察到大量双生条纹状共晶组织,横截面上出现很多粗大中空的六边形MnB i相,随着凝固速度增大,MnB i相尺寸减少, MnB i相纤维间距也减少.无疑,这种现象与铁磁性的Mn B i相在磁场中的行为有关.在磁场中凝固时,发现B i2Mn合金在包晶相变过程中伴随MnB i晶粒沿磁场取向排列,出现破碎现象.实验表明,其产生原因是强磁场的磁化作用造成新相之间相互排斥而产生的应力作用的结果[34].Yasuda[35]开展了磁场控制偏晶合金定向凝固的研究,通过施加强磁场在A l2I n合金中获得规则排列的纤维组织.A sai等进行过共晶铝硅合金在梯度磁场中凝固时,使得初晶硅发生偏聚[36],其原因是硅为抗磁性,因而受到磁场的排斥力而发生偏聚.任忠鸣等研究发现,梯度磁场中过共晶铝硅合金凝固时的初生硅明显细化,且偏聚程度随磁场的增加存在极值[37239].在强磁场下进行亚共晶A l26%Si合金和共晶A l212.6%Si合金Na变质处理发现[40241]:944　第5期任忠鸣,等:强磁场在金属材料制备中应用研究的进展 前者重熔时,Na变质仍有效,而无磁场时重熔则变质失效;后者在同样的变质剂和反应温度与保温时间下,施加磁场的共晶硅细化,并呈现一定程度的粒状化,其变质效果明显优于不施加磁场的,表明静磁场具有延长变质有效时间的作用[42243].已有的研究结果表明,磁场对金属凝固的影响是多效应和多方面的,这已成为金属凝固研究的新领域,其中存在许多未知和不清楚的问题需要研究,也提供了产生重大突破的机遇.3　磁场热处理在材料的固态相变过程中,利用不同组成相磁性能的差异,强磁场有可能改变相变的温度和程度,以及相变组织的形态和大小等,从而影响材料的热处理过程和效果.国内20世纪90年代初就有研究者用脉冲磁场对钢材进行淬火、回火等处理.如用中等强度脉冲磁场对9Si Cr钢进行等温淬火[44],可以增加贝氏体的转变量,从而提高工具的使用寿命.对高速钢的回火施加脉冲磁场[45],不仅可以使马氏体中合金碳化物的析出更加均匀弥散,而且使马氏体的正方度明显升高,从而使高速钢具有更高的硬度和红硬性,使高速钢工具的服役寿命显著提高.Fe2 3.25%Si冷轧硅钢片在10T强磁场中退火[46],形成{111}〈112〉择优取向,增强〈001〉轴平行于轧制方向取向,促使{hk0}〈001〉再结晶织构和小角度晶界的优先形成.稳恒强磁场能对低碳锰铌钢的γ2α相变产生影响,在奥氏体化后空冷过程中加磁场,可以提高奥氏体向体素体相变的起始温度,且铁素体晶粒显著细化[47].磁场还能改变钢的淬透性及耐腐蚀性,如在32Cr M nNbV钢的奥氏体化过程中施加磁场,可降低奥氏体的稳定性,造成CCT曲线的左移,淬透性下降[48].在快淬非晶粉末(如NdFe B[49])热处理过程中加磁场能促进其晶化,使相转变在较低的温度下进行.磁场能影响Fe2C二元合金系的平衡相图[50],增加共析碳的成分,提高临界转变温度以及拓宽碳在铁素体相中的固溶度.通过在强磁场中退火,非铁磁性各向异性材料的晶界分布及晶粒组织演化均能被控制,还可观察到反对称织构组织及单个晶粒的取向[51].Fe225%Cr212%Co21%Si合金在约10T经热磁处理产生Sp inodal分解,经透射电镜(TE M)及穆斯堡尔光谱分析表明,强磁场能加速早期阶段的Sp inodal分解,但却抑制粗化过程,并导致方向比很小的铁磁α1相的形成和细化[52].结构钢在600℃和650℃保温1h,施加14T磁场淬火,与无磁场情况淬火进行比较研究,发现磁场有效地阻止了渗碳体沿马氏体层片晶界和孪晶晶界的定向生长,原因是磁场增加了渗碳体/铁素体的界面能以及磁致伸缩应变能,强磁场作用的最终结果是获得了粒状渗碳体[53].对Fe225.5N i2325%Cr合金及S US304L不锈钢加24T强磁场,在77K进行处理,测量准应变(Pre2Strain)对α′马氏体形成数量的影响,在两种钢得到的结果显著不同[54].FeCr Co系合金是一类具有特殊用途的永磁材料,磁场热处理是其制备工艺中的重要环节.在外磁场的作用下,进行Sp inodal分解等温处理时,富FeCo的铁磁性α1相粒子沿外磁场方向析出并一致排列.每种FeCr Co合金都有一个最佳处理温度,一般来说,合金在640～650℃之间取得最佳性能[55].为改善性能和有效地控制相的组成,可提高主体元素的含量和进行微量元素掺杂,磁场热处理导致强磁性相和弱磁性相的分离,回火后形成起磁硬化作用的调幅结构.该调幅结构中较大的两相成分差有利于提高FeCr Co合金的矫顽力[56257].另有研究表明,磁场热处理温度为635℃时,在各种磁场强度下合金均显示相对最佳磁性能,其中尤其以磁场强度为318.312kA/m时获得最高磁能积[58].也有研究表明,在磁场处理及多级回火获取调幅分解组织之前的固溶处理易于得到单相α基体[59].对FeCo软磁合金进行真空磁场退火,可显著降低矫顽力,比普通真空退火减少1～2倍,而且每次磁场退火均满足技术要求,但普通真空退火很难做到一次合格,大部分需要重复热处理[60].将定向凝固得到的Tb0.3Dy0.7Fe1.95多晶合金,在真空条件下,加热到居里点附近不同温度,在加磁场下保温一定时间后冷却到室温,测量其磁致伸缩系数.结果表明,在稍低于居里点的温度,沿垂直于棒的轴线加磁场保温一定时间后冷却,合金的磁致伸缩系数明显提高,沿样品棒轴线的晶体取向有一定程度的改变[61].在真空超导强磁场装置中,将经定向凝固的〈110〉取向Tb0.3Dy0.7Fe1.95多晶合金棒,沿垂直轴向施加强度为1T的磁场,加热到623K和723K下,保温5m in后随炉冷却.结果表明[62],磁场热处理增强预压力下的“跳跃”效应,提高不同预压力下的饱和磁致伸缩系数λs,其中623K磁场热处理样品在8.1MPa下的λs达到1950×10-6.在平行试样方向上施加强磁场对球墨铸铁进行退火处054 上海大学学报(自然科学版)第14卷　理后,球铁的拉伸强度、硬度降低,延伸率、断面收缩率升高.研究表明,施加强磁场能够显著地提高渗碳体分解和碳扩散的速度.磁化力F 是加速渗碳体溶解和碳扩散的驱动力[63].N i 2MnGa 铁磁形状记忆合金在恒定磁场下加热到高于T c 或A f 温度保温30m in 后水淬或空冷得到多晶组织,对实验组织进行研究表明,在相同的热处理工艺下,外加磁场均能促进马氏体相的形成.同时,磁场热处理使马氏体孪晶的位向分布发生明显改变,产生不同程度的择优排列(磁织构).在经过优化的工艺条件下,磁场热处理能使多晶N i 2MnGa 的磁驱动形状回复应变得以提高[64].现今的强磁场下材料热处理的研究尚处于观察较为宏观效应的阶段,实际上磁场的作用可深入到微观层次,加强对材料微观尺度上的磁场效应的研究将会出现新的突破.4　磁场的相变热力学效应磁场在对材料磁化时即将能量传递到物质中,从而影响到物质的热力学状态.材料在进行相变时,磁场的施加将影响相变热力学关系.另一方面材料在发生相变时,往往其磁性也发生相应变化,因而其在磁场所受磁力的大小也必定发生相应改变.基于此提出了一种通过测量磁悬浮力的改变而检测相变的发生并确定相变温度的方法[65].在B i 2Mn 合金的包晶反应中,由于存在Mn B i 顺磁性高温相(HTP )到铁磁性低温相(LTP )的磁性转变,MnB i 相的磁化率发生突变,因此所受到的悬浮力也要发生突变,利用此现象成功地检测到了B i 2Mn 合金中的包晶相变,并测定了相转变温度.与无磁场情况相比较,10T 强磁场使包晶相变点温度提高了约20℃.通过引入磁化能和分析包晶反应中各相的化学势,得到了磁场影响相变温度的一个解析表达式.在磁场影响相变的理论研究中,人们研究了磁场对Fe 2Fe 3C 相图的影响[66].磁场影响吉布斯自由能,基于分子场论计算了系统中奥氏体、铁素体及渗碳体的磁吉布斯自由能,并以其作为碳重量百分数及温度的函数绘制了磁场下的Fe 2Fe 3Fe 相图(见图4),可见相图向上移动了,以至Ac 1,Ac 3温度随着外加磁场的增大而升高,但Ac m 几乎不受磁场的影响. 磁场也能影响马氏体相变点M s ,其原理见图5[67].图中下标p ,m 分别表示母相和派生相(此图4　不同外加磁场下与γ/α及γ/Fe 3C 相变有关的F 2C 相图F i g .4　Fe 2C pha se d i a gram a ssoc i a ted w ith the γ/αand γ/Fe 3C tran sfor ma ti on for var i ous appli ed magneti c f i elds处为马氏体相),T 0及T ′0分别表示无磁场、有磁场两种情况下母相和马氏体相具有相同自由能时的温度,可见,有磁场时两相平衡温度升高了.同样地,具有相同驱动力时,施加磁场使马氏体相变的开始温度升高,从M s 升至M ′s .图5同样适用于高温下的其他扩散型相变.类似地,施加磁场能使贝氏体转变的开始温度提高,而且使转变温度加快.为了加速贝氏体的转变速度,施加10T 的磁场比施加172MPa 的应力更有效.用分子场计算出的磁化强度受磁场的影响见图6.在铁碳合金中施加强磁场并进行板条状马氏体向奥氏体的逆转变[68],发现奥氏体被拉长,且拉长的程度随外加磁场的增大而增加,这一点与奥氏体向铁素体的转变相类似.不相同之处是,逆转变中不仅是领先的奥氏体小晶粒被拉长,而且领先的尺寸相对较大的晶粒也被拉长.在强磁场中对Fe 20.4%C 合金低于和高于居里温度进行等温铁素体转变[69],形成狭长和取向排列的两相组织,等轴铁素体晶粒在奥氏体晶界处随机形核,而且由于沿磁场方向优先生长而变得狭长.低于居里温度,狭长程度随着转变温度的增加而增加,高于居里温度则相反.在强磁场中,对铁素体析出相作用一个小的化学驱动力以及增大磁化强度均有利于狭长结构的形成.γ2Fe N 的等温马氏体转变在强磁场中于高于M s (马氏体相变点)的温度发生[70].马氏体的摩尔分数随等温失效时间的延长而单调递增,而且其饱和值正比于外加磁场.温度和磁场与饱和摩尔分数值的变化关系表明,在饱和值为零之处即便温度高于M s 点,相变也不会进行下去.磁场揭示了γ2Fe N 中马氏154　第5期任忠鸣,等:强磁场在金属材料制备中应用研究的进展 。

2024年磁性纳米材料市场分析现状引言磁性纳米材料是近年来发展迅速的一种新型材料，在多个领域中具有重要的应用潜力。

本文将对磁性纳米材料市场的现状进行分析，包括市场规模、市场发展趋势和主要应用领域等方面。

市场规模据市场调研机构的数据显示，磁性纳米材料市场在过去几年中保持了稳定增长的态势。

根据最新的统计数据，2019年全球磁性纳米材料市场规模达到了x亿元，预计到2025年将达到x亿元，年均复合增长率为x%。

市场发展趋势1.技术进步驱动市场增长：磁性纳米材料的制备技术不断进步，不仅在纳米粒子的合成上取得了重要突破，还在材料改性和工程应用方面实现了新的突破。

这些技术创新推动了市场需求的增长，并为市场带来了更多的商机。

2.应用领域不断扩展：磁性纳米材料在医疗、电子、能源等领域具有广泛的应用前景。

在医疗领域，磁性纳米材料在肿瘤治疗、靶向药物输送、磁共振成像等方面的应用已经取得了重要进展。

在电子领域，磁性纳米材料在传感器、储存器件等方面的应用潜力巨大。

随着新的应用领域的不断涌现，磁性纳米材料市场将得到进一步的扩大。

3.环境意识的提高：磁性纳米材料相比传统材料具有更低的资源消耗和污染排放，受到了环保意识的推动。

越来越多的企业和机构开始关注和研究磁性纳米材料的应用，以减少环境压力和提高可持续发展性能。

主要应用领域医疗领域磁性纳米材料在医疗领域的应用已经取得了重要进展。

其中，其在肿瘤治疗方面表现出巨大的潜力。

通过将磁性纳米材料与肿瘤细胞特异性靶向药物结合，可以实现对肿瘤细胞的精确杀灭，同时减少对正常细胞的毒性。

此外，磁性纳米材料还可以用于磁共振成像，提高影像的分辨率和对比度。

电子领域磁性纳米材料在电子领域的应用也非常广泛。

一方面，磁性纳米材料可以用于制备高性能的传感器。

通过表面修饰或改性，可以使传感器对特定物质的探测灵敏度和选择性大幅提高。

另一方面，磁性纳米材料还可以用于磁存储器件的制备，提高储存密度和读写速度。

能源领域在能源领域，磁性纳米材料被广泛应用于磁性催化剂、能量转换器件等方面。