磁性材料的制备与表征教学改革探索

黄 帅 杨 琳 霍德璇

（杭州电子科技大学材料与环境工程学院 浙江·杭州 310018）

0 引言

我国是最先发现磁性现象和使用磁性材料的国家，早在战国时期就有关于天然磁性材料的记载。磁性材料指的是能对外加磁场做出反应的一类材料，这类材料目前在生产、生活、国防等领域已得到广泛应用。例如，磁性材料可以用于制造变压器的铁芯、计算机存储设备、耳机发声单元以及电磁炮等军用武器。鉴于磁性材料在当前经济领域发挥的重要作用，因此有必要加强学生对磁性材料的制备和表征的了解。本系结合自身在磁性材料制备方面的专业优势，开设了此门课程作为本科实践必修课程。通过本课程的学习，可使大学生系统掌握磁性材料制备实验的基本方法和技能，熟悉磁性材料常用的表征方法，培养与提高学生科学实验的能力，为今后的学习和工作奠定良好的实验基础。整个课程分为两大部分，第一部分主要讲授磁性材料的制备工艺，通过本部分的学习，可使学生掌握三种实验室常用的磁性材料制备方法；第二部分主要讲授磁性材料的表征手段，这部分以第一部分制备的样品为实验材料，学生可以结合前期的实验成果进行相应的结构、形貌和磁性的分析，同时也可以检验前期制备样品的品质。需要指出的是，任何物质在外磁场中都能被磁化，只是磁化的程度不同。因此，在本课程的教学内容中，分别选取了三类典型的应用广泛的磁性材料，包括铁磁性的氧化铁、亚铁磁性的铁氧体、反铁磁性的氧化镍。其制备工艺，选择了实验室里比较容易获得的制备手段，包括化学共沉淀法、低温固相反应法、高温固相反应法。为了对所制备的样品进行结构、形貌及物性的表征，我们对所合成的样品分别进行了X射线衍射、扫描电子显微分析和振动样品磁强计测量。

经过3年的教学实践，我们发现，虽然原有的教学思路和授课计划能够帮助学生较好的掌握相关的原理及技术，但也存在较多的不足之处。首先，在材料制备过程中，需要长时间的研磨及煅烧样品，教学所用表征设备台数较少，导致4个学时内很难完成一个完整的实验流程。其次，某些材料往往可以通过多种实验手段获得，在课堂教学时为了保障实验进度，仅能介绍一种实验方法让学生实验，导致学生无法发散思维，同时也无法对比不同实验方法对样品性质的影响。再次，我们的实验意图之一是为科研服务，而制备的样品往往属于当前已经经过广泛研究的材料，这导致教学内容所涉及的知识点较为陈旧，学生无法接触到科技前沿领域。最后，由于学生缺乏思考，学完本课程后也仅仅对当前涉及的材料有较为全面的了解，无法学以致用。为了解决以上问题[1]，我们在前期教学探索的基础上，积极思考，进行了以下教学改革探索。

1 教学改革探索

1.1 优化实验内容

在实验制备部分包括化学共沉淀法制备四氧化三铁纳米粒子、低温固相反应法制备氧化镍微粉和高温固相反应法制备铁氧体材料三个部分。在以往的教学过程中，这三部分内容是互不交叉的，即实验一、实验二和实验三依次进行。这样安排的优点是各个实验之间相对独立，互不干扰。例如，在进行化学共沉淀法制备四氧化三铁纳米粒子时，通常采用的步骤是将氢氧化钠溶液逐滴滴加到同时含有二价和三价铁离子的水溶液中，将所得沉淀洗涤、过滤，最后经过350摄氏度热处理2小时，即可得到氧化镍粉体，其流程如图1(a)所示；在进行固相反应法制备铁氧体时，通常采用的步骤是将按化学计量比配置好的三氧化二铁和三氧化二钴粉体，经过充分的研磨，然后压制成片状，最后经过1100摄氏度高温保温12小时即得到铁氧体产物，其流程如图1(b)所示。在实际的教学过程中，我们发现学时的利用不够合理。为了保证实验进度，虽然已经较大压缩了前期的实验准备时间，而后期样品热处理过程时间依然不足。特别是用于热处理的干燥箱、高温炉，其升温需要较长时间。经过充分思考不同实验的制备流程，我们发现可以将不同实验中类似的步骤合并到一起进行教学，这样既保证了实验前期准备的时间，又能保障足量的热处理时间。具体的实施办法为，前三次实验课中，将所有最后的热处理部分调整到第四次实验课中，即专门增加一次样品的热处理实验。在热处理实验中，首先讲授样品热处理涉及的实验设备以及不同设备的原理和使用方法，然后让学生实际上机操作，最后再将前三次实验的中间产物进行热处理。这样，便充分保证了样品热处理的时间。其中涉及长时间烧结的实验步骤，利用课下的时间让设备自动运行便可。

图1：(a)化学共沉淀法制备四氧化三铁纳米粒子流程图，(b)固相反应法制备铁氧体流程图

1.2 设置对照实验

对照实验是材料研究中经常使用的研究方法，通过设置对照实验可以增加实验结果的可信度和说服力。因此，我们也将对照实验的研究方法引入课堂教学[2]。在磁性材料制备时，磁性氧化物材料的合成方法往往不只局限于一种方法，因此在制备磁性材料时需要根据自身的需要选择合适的制备工艺。例如，在用低温固相反应法制备得到氧化镍微粉后，鼓励学生再用化学共沉淀法合成一次。这两种实验方法产生的实验现象有较大的差异，使用化学共沉淀法合成所得的材料，相对于使用低温固相反应法制备的样品，其产物的颗粒尺寸较小，在沉淀的过程中也较难沉淀下来。通过对比两次实验过程中实验现象的不同，学生便可以很好地理解这两种实验方法的异同，从而更好地掌握相应的实验方法。为了更加科学的让学生直观的看到两种制备方法对样品的结构影响，在后续的实践课程中，也增加了对照组实验的扫描电子显微分析实验。如图2(a)和(b)分别为采用化学共沉淀法和低温固相反应法制备的氧化镍样品的微观形貌。根据图中的实验结果，学生可以清楚地看到，采用化学共沉淀法合成的样品，其颗粒尺寸较小，平均尺寸在80 nm左右；而采用低温固相反应法制备的样品，其颗粒尺寸较大，平均颗粒尺寸超过了100nm。这样，不同实验方法对样品产生的影响，便清楚地展示在了学生眼前。

图2：(a)化学共沉淀法所得氧化镍样品的微观形貌，(b)低温固相反应法所得氧化镍样品的微观形貌

1.3 结合前沿

本实验课程的意图之一是，通过对课程内容的讲授，教会学生如何从事材料研究领域样品的制备及表征。因此，我们选取的授课内容需要紧跟学科的发展动态[3]。这样，在学生从教室走向实验室后，能够较容易地进行角色转换。此外，如果继续从事磁性材料的研究，也可以将课堂所学内容充分应用到实际的研究工作中。在讲授磁性测量实验时，我们发现以往的教材中大部分使用的测量设备为传统的电磁铁磁强计。在实际研究过程中，目前已经很少使用这种传统的测量设备。在当前磁性材料研究领域，普遍认可的磁性测量设备为综合物性测量系统。这套系统可以在较宽的温度和磁场范围内表征磁性材料的磁化行为。因此，我们特意申请了综合物性测量系统的使用，并专门针对这套系统进行实验培训。学生在课上实验中，便可自己动手进行相关实验的测量。另外，磁性材料的磁性表征不仅仅限于课堂上讲授的磁滞回线测量，目前常用的表征形式还包括磁温曲线的测量、交流磁化曲线测量、磁弛豫测量等等。因此，我们在授课的过程中，要求学生充分调研，总结最新的实验表征手段，设计新的实验方案，充分发挥学生的主观能动性[4]。例如，在讲授离子掺杂对样品磁性的影响时，常规的测试手段是测量不同样品的磁滞回线。磁滞回线的矫顽场和饱和磁化强度大时，对应的磁性就越强。学生在课后的调研中发现，表征磁性强弱不仅局限于磁滞回线测量，还可以通过磁温曲线的数据进行表征。经过与学生充分讨论后，我们进行了相关的磁温数据的测量，如图3所示。从图中可以看到，随着锌离子掺杂含量增大，样品的磁化强度依次减弱。学生在得到这样的测量结果以后，也可以很直观的看出温度对样品磁性的影响。

图3：具有不同锌掺杂量的钴铁氧体的磁温曲线

1.4 鼓励创新

在前四次实验课程中，重点讲述讲义中所提及的磁性材料及制备方法，让学生对基本的实验原理和实验步骤有充分的了解。为了鼓励学生用于思考和培养创新精神[5,6]，我们结合磁性材料领域的研究热点，提出了几种新的磁性材料，如多铁性陶瓷、超导材料等。在后续的课程中，要求学生根据要求，调研相关的研究文献，并筛选出自己感兴趣的材料，尝试进行实验室合成。需要指出的是，这里所涉及的创新，指的是讲义内容以外的创新，不一定属于重要的原创性成果，可以是合成材料的创新、合成方法的创新或表征手段的创新等。例如，有些同学在调研多铁性陶瓷时，发现研究较多的材料为铁酸铋，但所涉及的实验方法不包括讲义内容涉及的几种实验方法。因此，我们引导学生积极思考，利用本实验室已有仪器设备进行实验方案设计，在实验方案成熟后开展实验。最终，根据实验室的具体情况，选择的实验方案为采用溶胶凝胶法来制备，这种制备方法也属于实验室内常用的磁性材料合成方法。有些同学对铁电陶瓷比较感兴趣，在调研时发现文献所讲述的制备工艺流程跟我们课堂讲授的有较多的不同。因此，我们也鼓励学生尝试不同的实验流程。在样品的表征方面，不同的磁性材料涉及的表征手段也不相同。例如在结构表征方面，讲义涉及的表征方法为X射线衍射法，主要通过对样品照射X射线使其产生衍射花样来标定物质的结构。

2 结语

磁性材料的制备与表征属于综合性实验课程，实验内容涵盖的样品的制备、表征及数据的分析，课程内容较多，知识点分散，实验制备过程较为枯燥。本文将教学过程中遇到的问题进行了梳理，提出了教学过程中存在的问题，包括课程内容设置不科学、讲义内容不利于学生发散思维、知识点陈旧、无法激发学生的探索精神。针对这些问题，提出了四点教学改革方案，分别为优化实验内容、设置对照实验、结合前沿、鼓励创新。根据这四点教学改革方案，我们在教学实践过程中发现有些问题已得到较好的解决，能够从根本上解决学生在实验学习中遇到的问题。在后续的讲授过程中，应进一步发掘教学过程中存在的问题，并积极探讨相应的解决方案，从而使学生能更好的获得磁性材料制备与表征的实验技能。