金属材料的性能最终取决于其微观组织结构。绝大多数金属材料制备过程中都要经历凝固的过程，凝固过程中熔体流动、溶质和相分布、固/液界面形貌演变以及晶体取向等均会对材料的微观组织结构产生显著的影响。因此，在凝固过程中，通过对合金成分、凝固速率、温度梯度、第二相(溶质、增强相或杂质等)含量及分布等参数[1,2]进行合理的控制，从而获得理想的凝固组织结构，已经成为了提高材料性能甚至开发性能优异新材料的重要途径之一。近几十年中，研究人员不断尝试采用多种手段对凝固过程进行控制，从而开发出如定向凝固[3～5]、快速凝固[6～8]、离心铸造[9～12]、深过冷[13,14]和外加物理场控制的凝固手段[15～20]等，不但满足了科学技术发展和工业生产的需求，也丰富了金属凝固理论。

近些年来，随着超导材料和超低温冷却技术的进步，强磁场发生技术取得了突破性的进展，磁感应强度大于2 T的稳恒强磁场的产生和应用技术日趋成熟。因此，强磁场作用下对金属材料凝固行为的研究引起了极大的关注。磁场对物质通常表现出2种基本作用效果，包括对导电流体产生Lorentz力作用和对物质产生的磁化作用。而通过磁化，磁场又会对物质产生1种能量和3种力的作用效果，包括对被磁化物质产生磁化能的作用效果以及对磁各向异性物质产生磁力矩作用；对处在磁场梯度内的物质产生磁化力作用；诱导被磁化的颗粒间产生磁极间相互作用。大量实验研究表明，在金属凝固过程施加强磁场将显著影响金属液的流动[21～23]、溶质和颗粒的迁移和分布[24～27]以及晶体取向行为[28,29]等。强磁场凭借其洁净、非接触、强磁取向及能量密度高等特点，被广泛应用于材料的制备及加工过程的研究，并为新型功能材料的制备提供了新手段。本文首先介绍强磁场与金属熔体、第二相相互作用的基本原理及其对金属材料凝固组织的影响规律，之后综述了利用强磁场下的凝固过程控制手段制备功能材料的最新研究进展。

习近平强调:“环境治理是一个系统工程，必须作为重大民生实事紧紧抓在手上。”［7］236环境工程涉及人们生产生活的方方面面，因此要按照系统工程的思路，创新思维，制定政策，严格制度，到位措施，重在行动。习近平绿色发展理论从这五个方面切实发力，力度之大，前所未有。

1 强磁场控制凝固组织的基本原理与作用效果

1.1 强磁场下金属熔体流动行为控制

1.1.1 Lorentz力抑制熔体对流 当处于磁场中的导电流体做切割磁力线运动时，诱导电流与外加磁场相互作用会产生Lorentz力。该Lorentz力如式(1)所示：

 

式中，FL为Lorentz力；ie为等效电流；σ为电导率；u为运动速度；B为磁感应强度。

式中，iTE为热等效电流；σL为液相的电导率；σS为固相的电导率；ξL为液相的热电势；ξS为固相的热电势；fS为固相分数；T为温度。

  

图1 当磁场为0、39800和79600A/m时，Si熔体中的温度分布曲线[34]Fig.1 Temperature fluctuations in the molten silicon when magnetic field strength(H)is 0,39800 and 79600A/m[34]

由式(6)可知，当BdB/dz值足够大时，根据颗粒和液相的物性差异，颗粒P将沿着梯度强磁场方向或梯度强磁场反方向迁移。本课题组[68]采用亚共晶成分的Mn-89.7%Sb(质量分数)合金作为研究对象，在不同大小和方向的梯度强磁场下进行半固态等温处理实验，并对合金凝固组织进行分析，考察初生MnSb相在基体液相中的迁移行为，如图5[68]所示。经过半固态等温处理后，由于Ostwald熟化的作用[69]，MnSb相枝晶转变为MnSb颗粒。在无磁场时初生MnSb颗粒均匀分布在Mn/Sb共晶基体中；在对合金施加不同方向的梯度强磁场后，初生MnSb相颗粒在试样中沿磁场梯度方向的分布发生显著改变，初生MnSb相颗粒聚集在试样的下半部(负梯度强磁场)或上半部(正梯度强磁场)。随着|B(dB/dz)|值和保温时间的增加，初生MnSb相颗粒聚集在试样底部的程度亦增加，说明梯度强磁场方向可以控制磁性颗粒聚集的方向，而|B(dB/dz)|值及保温时间等参数可以控制磁性颗粒在试样某位置的分布程度。

 

此Lorentz力与导电流体的流动方向相反，从而阻碍流体的流动。在凝固过程中施加强磁场，由于该Lorentz力抑制金属熔体中重力场引起的对流，可对材料的凝固组织产生显著的影响。Utech和Flemings[30]将直流磁场施加到Te掺杂InSb合金的凝固过程中，通过磁场与熔体相互作用产生的Lorentz力，抑制了由于液相中温度波动而产生的溶质偏聚带。Bergman等[31]考察了磁场对Pb-Sn合金定向凝固过程中糊状区前端对流通道的影响。结果显示，水平磁场与合金液感生出的Lorentz力可抑制对流通道。为控制单晶Si生长过程中固/液界面附近的Si溶质的对流，Frederick[32]和Sonokawa等[33]提出将磁场与Czochralski法相结合，利用磁场与半导体熔体产生的Lorentz力的作用，抑制Si熔体热对流和溶质对流，制备大尺寸单晶Si。如图1[34]所示，Hoshikawa等[34]在 Czochralski法制备单晶Si过程中施加0～79600 A/m的磁场，发现磁场可显著减小Si熔体中的热对流。Fusegawa等[35]详细介绍了不同类型的强磁场(水平磁场、垂直磁场、尖型磁场等)下的Czochralski法装置及制备单晶Si过程，分析了不同Lorentz力对对流的抑制效果。Iino等[36]成功用水平强磁场下的Czochralski法装置制备出直径300 mm的单晶Si成品。本课题组[37]对亚共晶Al-Ni合金进行强磁场下的凝固实验，通过分析合金的凝固组织发现，强磁场促进了初生相在合金样品中的均匀分布，分析表明是由于Lorentz力抑制凝固过程中合金熔体的自然对流使溶质元素更均匀分布导致的。本课题组[38,39]对强磁场下Al-Si合金凝固过程的研究中发现，强磁场可以削弱对流，从而可以减小溶质元素扩散，所以Al-Si合金在强磁场下凝固较无磁场凝固时的枝晶臂间距和共晶片层间距都有所减小。研究者还采用数值模拟的方法研究磁场对熔体中对流的抑制作用[40～45]，提出磁场强度、体系的尺寸和几何形状等是磁场抑制熔体对流的主要参数。通过磁场控制对流所引起的温度起伏[46]、溶质分布[47,48]和热传递[49,50]等因素，进而控制凝固组织，为生产和实际应用提供理论指导。

利用梯度磁场产生的磁化力可以原位控制合金凝固过程中溶质或颗粒的迁移行为，该磁化力FM在z轴方向的表达式为：

在足够强的磁场条件下，热电磁力将促进导电流体产生流动，称为热电磁对流。Gel'fgat等[51]在Czochralski法装置上外加一个轴向均恒磁场，对InSb晶体生长过程进行考察，发现施加磁场后的晶体形状发生变形，证实了热电磁对流的存在。本课题组[52～55]前期对强磁场下不同单质金属组成的固/液互扩散偶的界面扩散行为进行了研究。结果显示，强磁场通过抑制液相内的对流以及引起热电磁对流，对扩散层厚度产生增大或减小的作用效果，证明了强磁场在抑制对流和引起热电磁对流之间存在相互竞争的关系。图2[56]为有效扩散系数Deff与磁感应强度关系曲线，2条虚线分别表示热电势引起的电流与磁场相互作用引起的热电磁对流效应和由感生电流与磁场相互作用产生的电磁制动效果，2种效果耦合出的有效扩散系数随磁感应强度的变化曲线如图中实线所示。实线峰值点位置及大小会随着材料的物理性质、界面温度梯度的不同而发生改变。Li等[57]对强磁场下Al-Cu合金定向凝固过程中产生的热电磁对流进行研究，重点考察了合金系尺寸、磁感应强度及热电磁对流作用效果之间的关系。实验表明，Al-Cu合金定向凝固过程中施加磁场降低了固/液界面的稳定性[57～61]。图3[62]所示为不同磁感应强度下定向凝固Al-4.5%Cu(质量分数)合金的横截面和纵截面背散射电子(BSE)像，可以看出，通过在Al-4.5%Cu合金定向凝固过程中施加强静磁场，产生的热电磁对流效应可以改变二次枝晶臂周围溶质原子分布，促进二次枝晶臂断裂，在样品边缘处形成杂晶，杂晶的数量随着磁感应强度的提高而增加。

除了最小化缓冲器总数量csum，我们也希望调整值不要太分散，这样的话它们就可以被同一个范围窗口τi涵盖.为了达到这个目标，我们最小化调整值和0之间的距离.因此，第二个优化目标是即是调整值与0距离的总和.

  

图2 热电磁对流效果和电磁制动效果耦合作用下的有效扩散系数与磁场感应强度关系曲线[56]Fig.2 Schematic illustration of increase or decrease of Deffdue to thermo-electromagnetic convectioneffect(TEMCE)andelectromagnetic braking effect(EMBE)(Deff—effective diffusivity,f(B)—magnetic field induction intensity)[56]

1.1.3 Lorentz力促进晶粒细化 通过对金属熔体施加相互垂直的电流(该电流可以直接施加，也可由变化的磁场诱导产生)和磁场也将产生Lorentz力，这种力将促进流体的流动，即：

 

式中，J为等效电流。

利用强磁场与高频电流的相互作用可在金属熔体内部产生Lorentz力，该力的周期振动又在金属内产生超声波。Amano等[63]利用交流电磁场在高温金属熔体内部产生了电磁超声波，通过理论分析和实验研究结果表明，该超声波既具备传统机械振动超声波所具有的特性，又可以在高温熔体内使用。本文作者等[64,65]研究了高频Lorentz力作用下金属液内电磁超声波的特性，并运用超声波压力传感器对静磁场和交流电流在金属液内产生的电磁超声波的强度进行测量。随后将高强度静磁场和交流电流应用到Sn-10%Pb(质量分数)合金的凝固过程[66]，合金在不同条件下凝固的宏观组织如图4[66]所示。从图4a和c可以看出，0 T、0 A和10 T、0 A条件下的样品内部的晶粒粗大；但在0 T、90 A条件下，样品内部靠近电极位置的晶粒明显细化(图4b)。如图4d所示，在10 T、90 A条件下凝固的样品内的晶粒得到显著细化，这是由于10 T强磁场和90 A交流电流相互作用产生的电磁超声波作用而引起的，电磁超声波对金属凝固组织的具体细化机理仍在进一步研究中。

  

图3 不同磁场强度下定向凝固Al-4.5%Cu(质量分数)合金横、纵截面的BSE像[62]Fig.3 BSE images of directionally solidifiedAl-4.5%Cu(mass fraction)alloy under different magnetic fields[62]

 

(a)transverse,0 T (b)transverse,2 T (c)transverse,6 T(d)longitudinal,0 T (e)longitudinal,2 T (f)longitudinal,6 T

  

图4 不同条件下试样的宏观组织[66]Fig.4 Microstructures of samples under different experimental conditions[66]

 

(a)0 T,0A (b)0 T,90A (c)10 T,0A (d)10 T,90A

1.1.4 磁化力促进对流 在梯度强磁场作用下，合金熔体中的溶质团簇或颗粒相将会受到磁化力(FM)的作用，如式(4)所示：

 

式中，V为材料的体积；μ0为真空磁导率。

本课题组[87]选用亚共晶Mn-89.7%Sb(质量分数)合金为研究对象，考察梯度强磁场对亚共晶合金凝固组织的影响。图9[87]为分别在正、负梯度强磁场下凝固的Mn-89.7%Sb合金组织形貌图及对应的初生MnSb相和Sb相沿试样自上而下的体积分数分布图。从图中可以看出，在2种磁场条件下合金内部均形成了共晶Mn-Sb合金的2种初生相，即初生MnSb相和初生Sb相，共同存在于同一样品内部的组织结构，且2种相在样品轴向呈梯度分布。由于Mn在液态时具有最大的体积磁化率，为882.62×10-6；Sb在液态时的体积磁化率为-1.0048×10-6[88,89]。根据第1.2节的分析可知，Mn元素富集区在梯度强磁场作用下向梯度磁场方向迁移，而Sb富集区在梯度强磁场作用下向梯度磁场反方向迁移，最终形成Mn-Sb合金中亚共晶-共晶-过共晶(正梯度强磁场)和过共晶-共晶-亚共晶(负梯度强磁场)交替分布且呈梯度变化的层状组织。相似地，将共晶Mn-90.4%Sb(质量分数)合金在梯度强磁场下凝固，亦可得到初生MnSb相和初生Sb相呈层状梯度变化的组织[90]。

番茄是当前市场上备受欢迎的茄果类蔬菜品种之一，需求量较大，是农户增产增收的关键所在。尤其是在现代农业的快速发展背景下，人们对于农产品质量安全问题重视程度不断提升。无公害栽培技术应用中，以日光温室番茄无公害栽培技术最为典型，可以实现农药和化肥的合理使用，促进番茄健康生长，对于番茄栽培质量和产量提升具有重要促进作用。加强日光温室番茄无公害栽培技术应用探究，有助于改进传统栽培技术的缺陷和不足，促进番茄增产增收，带来可观的经济效益和社会效益。

1.2 强磁场下溶质或颗粒的迁移行为控制

2009年9月，党的十七届四中全会把生态文明建设提升到战略高度，与经济建设、政治建设、文化建设、社会建设并列作为中国特色社会主义事业总体布局的组成部分。

 

式中，χ为磁化率，B为z方向的磁感应强度。

榆阳煤矿摒弃传统垮落法开采形式，在2307工作面首次采用高流动性风积砂似膏体充填材料，成功地进行了风积砂似膏体充填采煤的工业化试验，为西北地区保水开采技术提供参考和借鉴[1～3]。

如果合金体系是由不同磁化率的液相M和分散颗粒P组成，则作用在颗粒P上的合力(FP)可以表示为：

 

式中，VP为颗粒P的体积；χP和χM分别为颗粒P和液相M的磁化率；ρP和ρM分别为颗粒P和液相M的密度；g为重力加速度。

2.2.1 小鼠体重变化结果分析 试验期间不同组别S180荷瘤小鼠体重增加结果如图1所示。试验30 d期间，模型组小鼠体重增加了12.37%±1.67%，SPG和ISPG不同剂量组体重增加与模型组没有显著差异，香菇多糖组体重平均增加13.99%±1.33%，与模型组体重增加差异不显著(P>0.05)。因此，试验期间各组别之间小鼠体重增加均没有显著差异(P>0.05)。

  

图5 不同磁场条件下保温不同时间时Mn-89.7%Sb(质量分数)合金中MnSb/Sb-MnSb相微观组织[68]Fig.5 Micrographs of MnSb/Sb-MnSb gradients in Mn-89.7%Sb(mass fraction)alloys solidified without and with 11.5 T magnetic field in different field gradients and various holding time(B—magnetic induction intensity,g—gravitational acceleration,BdB/dz—the gradient of the magnetic field in the direction of the z axis)[68]

 

(a)0 T,30 min (b)BdB/dz=-114 T2/m,30 min (c)BdB/dz=-282 T2/m,30 min(d)BdB/dz=-282 T2/m,90 min (e)BdB/dz=282 T2/m,30 min

1.1.2 热电磁力促进熔体对流 在枝晶生长过程中，处于固/液界面处的枝晶尖端会产生由温度差引起的热电势，由此产生的Lorentz力通常称为热电磁力，可以表示为：

梯度功能材料是指材料内部组织和性能沿着材料某一方向线性变化的材料[85]，这一概念最早在20世纪70年代由Bever和Duwez[86]提出。梯度强磁场在金属材料凝固过程中所产生的强磁化力对金属熔体中磁化率不同的组元和颗粒产生不同的作用效果，促使熔体中溶质和颗粒分布不均匀，将有可能提供一种利用强磁场作用效果原位制备梯度功能材料的方法。

另一方面，在高于金属熔点的温度下，液态金属中局部区域的浓度起伏会导致大量金属团簇存在[70～72]。若熔融状态的金属液处在梯度强磁场条件下，则体系内不同磁化率的金属团簇将受到不同的磁化力作用而分布在金属溶液的不同区域，最终形成溶质呈梯度变化的梯度结构。Liu等[73]将亚共晶成分的Mn-89.7%Sb(质量分数)合金置于梯度强磁场内进行凝固实验，根据式(6)对体系内Mn团簇上所受的合力进行估算，并与其浮力相比较，分别计算出在正、负梯度强磁场下满足Mn团簇聚集的磁场条件。因此将样品分别置于B(dB/dz)=400和-565 T2/m的梯度强磁场时，磁化力驱动Mn团簇沿着梯度强磁场方向运动进而造成熔体中溶质Mn偏聚，在淬火后得到初生MnSb枝晶分别聚集在样品上部或下部的梯度分布组织。

上述强磁场下金属材料的半固态和全熔等温处理是在自由凝固条件下进行的，而Wu等[74]将定向凝固与强磁场相结合，以过共晶Al-8%Fe(质量分数)合金为研究对象，进行强磁场下定向凝固实验，研究磁化力和热电磁力等对Al-Fe合金在单一热流方向下凝固时的组织演变情况，如图6[74]所示。发现在磁化力引起富Fe微区向试样下部迁移，导致了试样顶部共晶组织的出现，此外其与热电磁力的耦合作用造成Al3Fe相的变形断裂及不均匀分布并影响了共晶区和初生相界面的稳定性。

  

图6 生长速率为30 μm/s时不同磁感应强度下Al-8%Fe(质量分数)合金的微观组织及与之相对应的Al3Fe含量分布[74]Fig.6 Microstructures(a～d)and volume fraction distribution in longitudinal section(e)of directionally solidified Al-8%Fe(mass fraction)alloy grown at 30 μm/s under various applied magnetic fields(V—solidification rate)[74]

 

(a)0 T (b)0.4 T (c)1 T (d)6 T (e)volume fraction distribution of the primary Al3Fe phase(The starting point of the abscissa distance corresponds to the top position of the above metallograph)

1.3 强磁场下合金凝固过程中的相排列控制

磁性颗粒置于磁场中会被磁化而形成磁偶极子，在颗粒间产生磁极间相互作用。设磁性颗粒为球形，2个中心间距为l的磁偶极子之间的相互作用能(UM)可由下式表示：

 

式中，qm1和qm2分别为磁性颗粒m1和m2的磁偶极距。

磁性颗粒为顺磁性时，感应出的磁极强度(qm)可表示为：

 

式中，RP为磁性颗粒的半径；χe为磁性颗粒的磁化率。

在我国科学技术飞速发展的背景下,CT三维成像技术显著提升,在气管异物和食管异物诊断过程中,胸部CT三维重建技术发挥着重要作用。通过本次研究结果可知,对照组与研究组患者诊断准确率分别是90.32%和93.54%,组间未见显著差异,统计学无意义(P>0.05),由此可见,胸部CT三维重建技术与食管吞钡均具有较高的诊断率。在检查过程中,所选患者均进行全身麻醉,有些患者在实施全身麻醉之后,由于身体处于放松状态,食管自动蠕动,使得异物自动脱落至胃部。

在磁偶极子相互作用能的作用下，磁性颗粒在平行于磁场方向上产生吸引力，在垂直于磁场方向上产生排斥力。经长时间处理后，在吸引力和排斥力共同作用下合金熔体内部的颗粒沿着磁场方向发生接触，接触后的颗粒合并形成规则排列结构。20世纪80年代初期，Mikelson等[75]将Al-Ni、Al-Cu、Bi-Cd和Cd-Zn合金在磁场中凝固，发现合金中的析出相呈与磁场方向有特定关系的规则排列，形成组织取向。本课题组[76]以亚共晶Mn-89.7%Sb(质量分数)合金作为研究对象，将合金在磁场中加热至固/液两相区后保温，使共晶熔体中产生顺磁性MnSb颗粒。图7[76]所示为0和11.5 T磁场条件下保温不同时间后的Mn-89.7%Sb合金在纵截面的微观组织。在11.5 T的磁场作用下保温30 min后的样品内部的MnSb相颗粒在平行于磁场方向有相互连接的趋势，随保温时间的延长，MnSb相颗粒逐渐粗化并逐渐排列形成链状组织。Lou等[77]用类似的方法将Bi-4.36%Mn和Bi-8.25%Mn(质量分数)合金在强磁场下进行半固态等温处理，观察铁磁性MnBi相颗粒在强磁场作用下的排列行为。结果显示，在强磁场作用下MnBi相颗粒在平行于磁场方向相互接触、连接而形成链状组织，说明颗粒相在磁场作用下可形成磁偶极子，并可以通过调控磁感应强度大小、颗粒尺寸及颗粒含量等参数来设计凝固组织。

  

图7 0和11.5 T磁场条件下保温不同时间后的Mn-89.7%Sb(质量分数)合金在纵截面的微观组织[76]Fig.7 Longitudinal microstructures of the Mn-89.7%Sb(mass fraction)alloy specimens after the annealing process at 0 and 11.5 T with different annealing time[76]

 

(a)0 T,30 min (b)11.5 T,30 min (c)11.5 T,60 min (d)11.5 T,90 min

1.4 强磁场下晶体取向控制

由于晶格结构或晶粒形状导致的在不同方向上磁化率的差异而造成了磁各向异性。在磁场中晶体受磁化时会由于磁化产生自由能的差异，产生磁晶各向异性能。磁晶各向异性能会促使晶体沿着某一晶向或晶面生长；或在磁力矩L的作用下，晶体发生转动，使晶体的某一晶向同磁场方向形成特殊的晶体学位向关系，即磁取向现象。通过磁场诱导晶体沿特定方向发生取向必须满足以下3个条件[29]：(1)晶体具有磁晶各向异性；(2)磁各向异性能大于热扰动能；(3)有可以供晶体自由转动的介质。因此，强磁场条件的施加为具有磁晶各向异性的晶体获得具有单一取向提供可能，也为制备单一取向功能材料提供理论基础。当具有磁晶各向异性的物质置于磁场中被磁化后，该物质会由于磁化矢量与磁场矢量不平行而受到磁力矩的作用，该物质在z方向上受到的力矩可以表示为：

 

式中，M为磁化强度；V为物质的体积；χ1为易磁化轴的磁化率；χ2为难磁化轴的磁化率；θ为易磁化轴和磁场的夹角。

20世纪90年代，De Rango等[28]将超导氧化物颗粒混合后置于强磁场中部分熔化，得到具有较高c轴取向的块体材料，证明了晶体在其熔点附近仍具有较大磁晶各向异性，当磁感应强度足够大时，在凝固过程中可诱导晶体沿特定方向取向。之后的超导材料研究人员多采用强磁场来提高超导材料的性能[78～82]。Legrand等[83]在强磁场下进行Sm-Co合金的凝固实验，发现合金中的Sm2Co17相的c轴沿着磁场方向生长，形成易磁化轴沿着磁场方向排列的晶体学取向。本课题组[84]用极图分析TbFe2合金在8.8 T磁场中凝固后包晶相晶体取向的变化情况，如图8[84]所示。在无磁场时，合金织构极点密度较小，织构随机产生在<110>、<111>和<113>方向上；经8.8 T强磁场处理后，织构在<111>方向上产生强烈偏聚，说明TbFe2相沿着磁场方向产生高<111>取向。

  

图8 TbFe2合金经8.8 T磁场条件处理前后的反极图[84]Fig.8 Inverse pole figures of the TbFe2alloys treated without(a)and with(b)8.8 T magnetic field[84]

2 强磁场下新型功能材料制备

2.1 梯度功能材料制备

财政部要求地方认真贯彻落实中央有关精准扶贫、精准脱贫的要求，增强资助的精准性，各省教育、财政部门可以结合教育部等六部门关于做好家庭经济困难学生认定工作指导意见，重新核定家庭经济困难寄宿生贫困面，报经省级人民政府同意后，报教育部、财政部备案。

  

图9 不同梯度强磁场凝固的亚共晶Mn-89.7%Sb(质量分数)合金的微观组织及对应的初生MnSb相和Sb相沿试样自上而下的体积分数分布图[87]Fig.9 Microstructures(a,c)and the volume fractions of the MnSb and Sb phases along the depth from the top surface layer in the specimen(b,d)for Mn-89.7%Sb(mass fraction)hypoeutectic alloy solidified under BdB/dz=-250 T2/m(a,b)and 314 T2/m(c,d)[87]

如果流体内部不同区域受到不同大小的磁化力的作用，从而引起对流，称为磁对流。强磁场作用下蜡烛火焰变形的现象正是由于燃烧过程消耗O2改变了局部气体的成分，在火焰附近产生磁化率非均匀分布而引起的磁对流造成的[67]。对于非导电流体来说，可利用流体与梯度磁场耦合产生随空间和位置变化的磁化力实现对熔体内流动的控制。由于磁化力的大小和方向可控，研究者努力将其应用于熔体凝固过程中微观结构的控制，发现其控制效果与流体流动行为有关，但梯度磁场下磁化力对熔体流动行为影响的研究尚存广阔的空间。

Gao等[91]利用负梯度强磁场下凝固的方法对Tb0.27Dy0.73Fe1.95磁致伸缩合金进行研究，成功制备出(Tb,Dy)Fe2相含量、(Tb,Dy)Fe2相沿＜111>方向的取向度、饱和磁化强度以及磁致伸缩系数沿着样品轴向方向呈梯度变化的梯度磁致伸缩材料。研究结果显示，(Tb,Dy)Fe2相在梯度强磁场的作用下聚集在样品下部，随着磁场梯度的增加这种偏聚程度逐渐增加；(Tb,Dy)Fe2相在<111>方向的取向度在样品底部最大，在样品顶部最小。梯度强磁场使Tb0.27Dy0.73Fe1.95合金中的磁性相分布发生偏聚，且使磁性相沿着易磁化轴方向的取向度增加，两者导致Tb0.27Dy0.73Fe1.95合金样品下部的磁致伸缩系数逐渐增加。图10[91]是在不同负梯度强磁场下凝固的 Tb0.27Dy0.73Fe1.95合金中的(Tb,Dy)Fe2相在＜111>方向取向度随位置变化曲线和饱和磁致伸缩系数随样品位置变化曲线。可以看出，当负梯度磁场B(dB/dz)=-565 T2/m时，Tb0.27Dy0.73Fe1.95合金样品下部的(Tb,Dy)Fe2相在＜111>方向取向度最大，在无预压应力条件下，磁致伸缩系数为1460×10-6，较无磁场时显著增加。

上述结果显示，新型梯度功能材料可通过调整合金系成分、梯度磁场方向、梯度磁场大小来设计和制备。但由于施加磁场梯度方向的单一性，导致了上述梯度材料的性能都是沿着材料某一方向单调递增或递减的。因此合理的设计磁场参数可对梯度强磁场分布进行细微调整，则有望制备出沿着材料某一方向上的性能变化更复杂的新型梯度功能材料。据此，本课题组[92]将Mn-89.7%Sb(质量分数)合金置于梯度磁场强度相同、但是符号相反的对称分布的梯度强磁场中，经凝固和半固态等温处理过程，制备了饱和磁化强度沿样品轴向呈正态分布的磁功能材料。图11[92]为Mn-89.7%Sb合金在无、有对称分布梯度强磁场条件下凝固后的饱和磁化强度分布图及对应的梯度磁场分布图。样品中心区域的饱和磁化强度最大，说明此位置的MnSb相含量最多，也反映出对称分布的梯度强磁场对液态中Mn元素富集区和铁磁性MnSb相颗粒的分布规律，即Mn富集区和铁磁性MnSb相颗粒总是沿着梯度磁场方向迁移，最终形成饱和磁化强度随样品轴向呈正态分布的梯度材料。

  

图10 不同负梯度强磁场下凝固的Tb0.27Dy0.73Fe1.95合金中(Tb,Dy)Fe2相在<111>方向取向度(O<111>)及在3.184×105A/m时磁致伸缩系数随样品位置变化曲线[91]Fig.10<111>orientation degrees(O<111>)of (Tb,Dy)Fe2through the depths of alloys solidified in various high magnetic field gradients(a)and the maximum magnetostriction of alloys solidified in various high magnetic fields at 3.184×105A/m(b)[91]

2.2 各向异性功能材料制备

2.2.1 晶体择优取向材料 制备具有单一晶体学取向组织在磁功能材料的性能优化方面具有极强的优势。因此，利用强磁场在金属材料凝固过程中产生的磁力矩控制晶体生长方向，进而改善磁功能材料的性能具有较好发展前景。

FK-A组织捣碎机 江苏金坛市金城国胜实验仪器厂；DHG-9123A电热鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司；JA3003精密电子天平 上海良平仪器仪表有限公司；SC-3610低速离心机 安徽中科中佳科学仪器有限公司；HWS12恒温水浴锅 上海一恒科技有限公司；JH-ZLS-3真空旋转浓缩仪 上海申光仪器仪表有限公司；pHSJ-4F 上海雷磁精密酸度计 仪电科学仪器股份有限公司。氢氧化钠、盐酸、无水乙醇：分析纯试剂。

当TbFe2超磁致伸缩材料的晶体沿着＜111>方向取向时，合金具有最优的磁致伸缩性能[93,94]。本课题组[84]将TbFe2合金置于强磁场中加热至1200℃，使体系中形成TbFe3相和液相共存的半固态，保温30 min后以1.5℃/min的凝固速率冷却，考察8.8 T磁场对初生相和包晶相晶体取向的影响。结果显示，经强磁场半固态等温处理后，合金形貌和相组成无明显变化，合金织构极点在＜111>方向上产生强烈偏聚，说明TbFe2相沿着磁场方向产生高<111>取向。因此，合金经强磁场半固态等温处理后，磁性能由各向同性转变为各向异性；合金在15 MPa下的磁致伸缩性能也由0 T时的1367×10-6提高到1646×10-6(图12[84])。

  

图11 Mn-89.7%Sb(质量分数)合金在无、有对称分布梯度强磁场条件下凝固后的饱和磁化强度分布图及对应的梯度磁场分布图[92]Fig.11 Saturation magnetization distributions in Mn-89.7%Sb(mass fraction)alloys solidified without(a)and with(b)a symmetrically graded magnetic field of 12 T,and corresponding magnetic-field gradient distribution(c)(Ms—saturation magnetization,G—magnetic field gradient)[92]

2.2.2 形貌择优取向材料 如1.4节所述，在凝固过程中初生相为铁磁性相的合金系，如Bi-Mn合金[95]、Nd-Fe合金[96]、Co-B合金[97]和Co-Sn合金[98]等，在强磁场作用下会发生初生相以链条状排列分布，造成在垂直和平行磁场方向性能各向异性。本课题组[99]将Bi-4.36%Mn(质量分数)合金置于无、有11.5 T强磁场下进行凝固实验，考察在强磁场作用下链状MnBi相的形成过程。图13[99]为Bi-4.36%Mn合金在无、有11.5 T强磁场下凝固后的组织形貌图。从图中可以看出，当无磁场时，初生MnBi相在共晶MnBi/Bi相中随机分布；在11.5 T磁场条件下，初生MnBi相相互连接形成平行于磁场方向的链状组织。

①数据采集与获取。对于高校教师而言，通过设计调查问卷获取第一手数据资料是经常采取的数据获取方式之一。而在设计问卷频率获取数据的调查中，30%的教师从来没有通过设计问卷获取数据，40%的教师平均每学期1 次通过设计问卷采集数据，其余30%每学期平均超过2 次，并对其进行分析。

  

图12 不同压应力条件下，母合金和半固态等温处理合金的磁致伸缩系数和磁场强度的关系[84]Fig.12 Magnetostrictions as functions of the magnetic field under different compressive stresses for the master and treated alloys[84]

  

图13 Bi-4.36%Mn(质量分数)合金在不同磁场条件下凝固后的宏观组织图[99]Fig.13 Macrostructures of the Bi-4.36%Mn(mass fraction)alloy solidified under various conditions[99]

 

(a)0 T (b)11.5 T

2.2.3 晶体和形貌均发生择优取向材料 对于稀土-铁基超磁致伸缩材料来说，制备功能相(ReFe2相)沿着＜111>方向生长，功能相沿着使用方向规则排列的组织是提高合金磁致伸缩性能的有效途径。本课题组[100]将强磁场施加到Tb0.27Dy0.73Fe1.95磁致伸缩合金的凝固过程中，通过控制冷却速率、磁场参数等条件，获得了胞状功能相沿着磁场方向规则排列的凝固结构，如图14[100]所示。在母合金和无磁场条件下重熔合金中，功能相(Tb,Dy)Fe2相无规则排列，而施加4.4 T强磁场后凝固组织中，(Tb,Dy)Fe2相和(Tb,Dy)Fe3相都沿着磁场方向规则排列。这表明即使在不使用定向凝固方法的条件下，利用强磁场也可得到磁性相沿着磁场方向定向排列的组织，这和定向凝固的效果一致。而且，XRD分析结果显示，(Tb,Dy)Fe2相不仅在磁场方向上发生排列，晶体取向也转变为＜111>方向。因此，合金磁致伸缩性能从600×10-6增加到1350×10-6。最新的研究表明，将Tb0.27Dy0.73Fe1.95磁致伸缩合金置于强磁场中定向凝固，利用二者各自优势，控制合金中(Tb,Dy)Fe2相排列及晶体取向有望提高合金磁致伸缩性能。Tb0.27Dy0.73Fe1.95磁致伸缩合金在无、有6 T强磁场、50 μm/s抽拉速率条件下定向凝固的微观组织如图15所示。从图中可以看出，6 T强磁场对Tb0.27Dy0.73Fe1.95合金形貌影响较小，(Tb,Dy)Fe2相和(Tb,Dy)Fe3相都与晶体生长方向(磁场方向)呈一定角度生长。通过EBSD分析发现，6 T强磁场定向凝固后的合金中(Tb,Dy)Fe2相主要沿着＜111>方向生长。合金磁致伸缩性能也由无磁场条件下的1223×10-6，提高到6 T强磁场条件下的1435×10-6。

  

图14 Tb0.27Dy0.73Fe1.95合金的纵向截面金相照片[100]Fig.14 Optical micrographs of the longitudinal section of the Tb0.27Dy0.73Fe1.95alloys[100]

 

(a)master(b)remelted without magnetic field(c)remelted with a 4.4 T magnetic field

  

图15 Tb0.27Dy0.73Fe1.95合金在50 μm/s抽拉速率下定向凝固后的纵向组织图Fig.15 Longitudinal section microstructures of Tb0.27Dy0.73Fe1.95alloy with 50 μm/s pulling rate under different magnetic field conditions

 

(a)0 T (b)6 T

3 结论与展望

通过总结分析强磁场下Lorentz力、热电磁力、磁化力、磁力矩和磁偶极间相互作用对材料凝固组织及性能产生的影响，提出了利用强磁场控制合金凝固过程从而制备新型功能材料的方法。目前，强磁场已广泛应用到材料科学研究的诸多领域中。将强磁场与传统材料制备过程相结合，发现了大量具有理论和应用价值的新现象，形成强磁场下材料制备过程的基础理论和控制技术，逐渐扩大强磁场在材料制备过程中的应用范围。

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