磁性材料的制備與表征教學改革探索

黃 帥 楊 琳 霍德璇

（杭州電子科技大學材料與環境工程學院 浙江·杭州 310018）

0 引言

我國是最先發現磁性現象和使用磁性材料的國家，早在戰國時期就有關于天然磁性材料的記載。磁性材料指的是能對外加磁場做出反應的一類材料，這類材料目前在生產、生活、國防等領域已得到廣泛應用。例如，磁性材料可以用于制造變壓器的鐵芯、計算機存儲設備、耳機發聲單元以及電磁炮等軍用武器。鑒于磁性材料在當前經濟領域發揮的重要作用，因此有必要加強學生對磁性材料的制備和表征的了解。本系結合自身在磁性材料制備方面的專業優勢，開設了此門課程作為本科實踐必修課程。通過本課程的學習，可使大學生系統掌握磁性材料制備實驗的基本方法和技能，熟悉磁性材料常用的表征方法，培養與提高學生科學實驗的能力，為今后的學習和工作奠定良好的實驗基礎。整個課程分為兩大部分，第一部分主要講授磁性材料的制備工藝，通過本部分的學習，可使學生掌握三種實驗室常用的磁性材料制備方法；第二部分主要講授磁性材料的表征手段，這部分以第一部分制備的樣品為實驗材料，學生可以結合前期的實驗成果進行相應的結構、形貌和磁性的分析，同時也可以檢驗前期制備樣品的品質。需要指出的是，任何物質在外磁場中都能被磁化，只是磁化的程度不同。因此，在本課程的教學內容中，分別選取了三類典型的應用廣泛的磁性材料，包括鐵磁性的氧化鐵、亞鐵磁性的鐵氧體、反鐵磁性的氧化鎳。其制備工藝，選擇了實驗室里比較容易獲得的制備手段，包括化學共沉淀法、低溫固相反應法、高溫固相反應法。為了對所制備的樣品進行結構、形貌及物性的表征，我們對所合成的樣品分別進行了X射線衍射、掃描電子顯微分析和振動樣品磁強計測量。

經過3年的教學實踐，我們發現，雖然原有的教學思路和授課計劃能夠幫助學生較好的掌握相關的原理及技術，但也存在較多的不足之處。首先，在材料制備過程中，需要長時間的研磨及煅燒樣品，教學所用表征設備臺數較少，導致4個學時內很難完成一個完整的實驗流程。其次，某些材料往往可以通過多種實驗手段獲得，在課堂教學時為了保障實驗進度，僅能介紹一種實驗方法讓學生實驗，導致學生無法發散思維，同時也無法對比不同實驗方法對樣品性質的影響。再次，我們的實驗意圖之一是為科研服務，而制備的樣品往往屬于當前已經經過廣泛研究的材料，這導致教學內容所涉及的知識點較為陳舊，學生無法接觸到科技前沿領域。最后，由于學生缺乏思考，學完本課程后也僅僅對當前涉及的材料有較為全面的了解，無法學以致用。為了解決以上問題[1]，我們在前期教學探索的基礎上，積極思考，進行了以下教學改革探索。

1 教學改革探索

1.1 優化實驗內容

在實驗制備部分包括化學共沉淀法制備四氧化三鐵納米粒子、低溫固相反應法制備氧化鎳微粉和高溫固相反應法制備鐵氧體材料三個部分。在以往的教學過程中，這三部分內容是互不交叉的，即實驗一、實驗二和實驗三依次進行。這樣安排的優點是各個實驗之間相對獨立，互不干擾。例如，在進行化學共沉淀法制備四氧化三鐵納米粒子時，通常采用的步驟是將氫氧化鈉溶液逐滴滴加到同時含有二價和三價鐵離子的水溶液中，將所得沉淀洗滌、過濾，最后經過350攝氏度熱處理2小時，即可得到氧化鎳粉體，其流程如圖1(a)所示；在進行固相反應法制備鐵氧體時，通常采用的步驟是將按化學計量比配置好的三氧化二鐵和三氧化二鈷粉體，經過充分的研磨，然后壓制成片狀，最后經過1100攝氏度高溫保溫12小時即得到鐵氧體產物，其流程如圖1(b)所示。在實際的教學過程中，我們發現學時的利用不夠合理。為了保證實驗進度，雖然已經較大壓縮了前期的實驗準備時間，而后期樣品熱處理過程時間依然不足。特別是用于熱處理的干燥箱、高溫爐，其升溫需要較長時間。經過充分思考不同實驗的制備流程，我們發現可以將不同實驗中類似的步驟合并到一起進行教學，這樣既保證了實驗前期準備的時間，又能保障足量的熱處理時間。具體的實施辦法為，前三次實驗課中，將所有最后的熱處理部分調整到第四次實驗課中，即專門增加一次樣品的熱處理實驗。在熱處理實驗中，首先講授樣品熱處理涉及的實驗設備以及不同設備的原理和使用方法，然后讓學生實際上機操作，最后再將前三次實驗的中間產物進行熱處理。這樣，便充分保證了樣品熱處理的時間。其中涉及長時間燒結的實驗步驟，利用課下的時間讓設備自動運行便可。

圖1：(a)化學共沉淀法制備四氧化三鐵納米粒子流程圖，(b)固相反應法制備鐵氧體流程圖

1.2 設置對照實驗

對照實驗是材料研究中經常使用的研究方法，通過設置對照實驗可以增加實驗結果的可信度和說服力。因此，我們也將對照實驗的研究方法引入課堂教學[2]。在磁性材料制備時，磁性氧化物材料的合成方法往往不只局限于一種方法，因此在制備磁性材料時需要根據自身的需要選擇合適的制備工藝。例如，在用低溫固相反應法制備得到氧化鎳微粉后，鼓勵學生再用化學共沉淀法合成一次。這兩種實驗方法產生的實驗現象有較大的差異，使用化學共沉淀法合成所得的材料，相對于使用低溫固相反應法制備的樣品，其產物的顆粒尺寸較小，在沉淀的過程中也較難沉淀下來。通過對比兩次實驗過程中實驗現象的不同，學生便可以很好地理解這兩種實驗方法的異同，從而更好地掌握相應的實驗方法。為了更加科學的讓學生直觀的看到兩種制備方法對樣品的結構影響，在后續的實踐課程中，也增加了對照組實驗的掃描電子顯微分析實驗。如圖2(a)和(b)分別為采用化學共沉淀法和低溫固相反應法制備的氧化鎳樣品的微觀形貌。根據圖中的實驗結果，學生可以清楚地看到，采用化學共沉淀法合成的樣品，其顆粒尺寸較小，平均尺寸在80 nm左右；而采用低溫固相反應法制備的樣品，其顆粒尺寸較大，平均顆粒尺寸超過了100nm。這樣，不同實驗方法對樣品產生的影響，便清楚地展示在了學生眼前。

圖2：(a)化學共沉淀法所得氧化鎳樣品的微觀形貌，(b)低溫固相反應法所得氧化鎳樣品的微觀形貌

1.3 結合前沿

本實驗課程的意圖之一是，通過對課程內容的講授，教會學生如何從事材料研究領域樣品的制備及表征。因此，我們選取的授課內容需要緊跟學科的發展動態[3]。這樣，在學生從教室走向實驗室后，能夠較容易地進行角色轉換。此外，如果繼續從事磁性材料的研究，也可以將課堂所學內容充分應用到實際的研究工作中。在講授磁性測量實驗時，我們發現以往的教材中大部分使用的測量設備為傳統的電磁鐵磁強計。在實際研究過程中，目前已經很少使用這種傳統的測量設備。在當前磁性材料研究領域，普遍認可的磁性測量設備為綜合物性測量系統。這套系統可以在較寬的溫度和磁場范圍內表征磁性材料的磁化行為。因此，我們特意申請了綜合物性測量系統的使用，并專門針對這套系統進行實驗培訓。學生在課上實驗中，便可自己動手進行相關實驗的測量。另外，磁性材料的磁性表征不僅僅限于課堂上講授的磁滯回線測量，目前常用的表征形式還包括磁溫曲線的測量、交流磁化曲線測量、磁弛豫測量等等。因此，我們在授課的過程中，要求學生充分調研，總結最新的實驗表征手段，設計新的實驗方案，充分發揮學生的主觀能動性[4]。例如，在講授離子摻雜對樣品磁性的影響時，常規的測試手段是測量不同樣品的磁滯回線。磁滯回線的矯頑場和飽和磁化強度大時，對應的磁性就越強。學生在課后的調研中發現，表征磁性強弱不僅局限于磁滯回線測量，還可以通過磁溫曲線的數據進行表征。經過與學生充分討論后，我們進行了相關的磁溫數據的測量，如圖3所示。從圖中可以看到，隨著鋅離子摻雜含量增大，樣品的磁化強度依次減弱。學生在得到這樣的測量結果以后，也可以很直觀的看出溫度對樣品磁性的影響。

圖3：具有不同鋅摻雜量的鈷鐵氧體的磁溫曲線

1.4 鼓勵創新

在前四次實驗課程中，重點講述講義中所提及的磁性材料及制備方法，讓學生對基本的實驗原理和實驗步驟有充分的了解。為了鼓勵學生用于思考和培養創新精神[5,6]，我們結合磁性材料領域的研究熱點，提出了幾種新的磁性材料，如多鐵性陶瓷、超導材料等。在后續的課程中，要求學生根據要求，調研相關的研究文獻，并篩選出自己感興趣的材料，嘗試進行實驗室合成。需要指出的是，這里所涉及的創新，指的是講義內容以外的創新，不一定屬于重要的原創性成果，可以是合成材料的創新、合成方法的創新或表征手段的創新等。例如，有些同學在調研多鐵性陶瓷時，發現研究較多的材料為鐵酸鉍，但所涉及的實驗方法不包括講義內容涉及的幾種實驗方法。因此，我們引導學生積極思考，利用本實驗室已有儀器設備進行實驗方案設計，在實驗方案成熟后開展實驗。最終，根據實驗室的具體情況，選擇的實驗方案為采用溶膠凝膠法來制備，這種制備方法也屬于實驗室內常用的磁性材料合成方法。有些同學對鐵電陶瓷比較感興趣，在調研時發現文獻所講述的制備工藝流程跟我們課堂講授的有較多的不同。因此，我們也鼓勵學生嘗試不同的實驗流程。在樣品的表征方面，不同的磁性材料涉及的表征手段也不相同。例如在結構表征方面，講義涉及的表征方法為X射線衍射法，主要通過對樣品照射X射線使其產生衍射花樣來標定物質的結構。

2 結語

磁性材料的制備與表征屬于綜合性實驗課程，實驗內容涵蓋的樣品的制備、表征及數據的分析，課程內容較多，知識點分散，實驗制備過程較為枯燥。本文將教學過程中遇到的問題進行了梳理，提出了教學過程中存在的問題，包括課程內容設置不科學、講義內容不利于學生發散思維、知識點陳舊、無法激發學生的探索精神。針對這些問題，提出了四點教學改革方案，分別為優化實驗內容、設置對照實驗、結合前沿、鼓勵創新。根據這四點教學改革方案，我們在教學實踐過程中發現有些問題已得到較好的解決，能夠從根本上解決學生在實驗學習中遇到的問題。在后續的講授過程中，應進一步發掘教學過程中存在的問題，并積極探討相應的解決方案，從而使學生能更好的獲得磁性材料制備與表征的實驗技能。