刘海涛

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下的特殊电磁场形态，是一种高能物理场，在这种高能场中，将发生许多奇特的现象。例如，水的变形，非导磁的木材、水滴、塑料、虫子、草莓等物质在强磁场（>5 T以上）中将悬浮起来；在材料制备过程中，强磁场可以改变材料制备过程中的热力学和动力学条件，能够将高强度的能量无接触地传递到物质的原子尺度，甚至直接影响材料中原子、分子、离子或晶粒的迁移、匹配和排列等行为，从而对材料的显微组织、微观结构和性能产生巨大而深刻的影响，实现新材料的制备与改性。

强磁场的作用可以直接达到原子尺度，因此，它对众多材料制备领域的影响是极为深远的。1991年Rango等在Nature上报道了高温下顺磁性Y₁Ba₂Cu₃O_7-δ（YBCO）高温超导材料在强磁场中形成织构组织的实验结果，引起世界范围内诸多材料研究者的高度关注。此后超导强磁场在材料科学中的应用研究广受关注，涉及材料的凝固、热处理、非晶晶化、结晶析出、气相沉积、电化学沉积和注浆成型等多种过程，发现许多具有重要科学研究价值和巨大应用前景的强磁新现象。其中特别引人注目的是，强磁场不仅可应用于铁磁性材料，而且可用于非铁磁性材料如金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料等。

在金属材料制备方面，利用强磁场作用下洛伦兹力以及磁化力的超、微重力和晶体配向效果，可以控制和调整金属基复合材料的复合过程；利用上述磁力在金属气、液、固相变中的作用，考察其对凝固、固态相变和沉积微观组织及其性能的变化规律，来优化金属材料的组织性能；利用强磁场对表面纳米化纯铁退火行为来研究纳米晶粒生长激活能，丰富了传统的晶粒长大理论和再结晶理论；利用强磁场作用研究二元合金胞晶形态演化等等；另外，利用强磁场中磁力对金属液中夹杂物的凝集和分散的作用，可以实现金属的纯化，提高金属材料的性能。

强磁场的另一大优势是借助其超强磁化力可以获得具有特殊取向结构的新材料（包括顺磁性和抗磁性材料），这有利于实现材料微结构的控制和性能的优化。在纳米材料制备领域中，纳米材料形状和性能的控制是非常关键的问题。而利用强磁场极强的磁力作用，可以控制液相法制备纳米材料的成核过程，防止晶粒异常长大。此外，强磁场极强的能量还可以引起纳米材料晶格的畸变，从而为制备高性能的纳米材料提供了一个非常好的条件。在10T-20T甚至100T的强磁场下，磁场甚至可以影响到化学反应的反应热、化学反应进行的方向、反应速率、活化能、熵等诸多方面。

另外，强磁场对生物体的组织、生化反应、生长过程、基因、细菌的新陈代谢等均能产生显著的影响，开展强磁场下生物工程的研究，对提升生物领域的研究水平和影响力，具有极其重要的意义。

鉴于强磁场这些奇妙的效应，很多国家如中国、美国、日本、法国等对强磁场下的材料制备给予了极大的关注。而强磁场加工已成为开发新型材料和优化材料性能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。