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电气石矿物在陶瓷材料中的应用及作用机理
电气石矿物在陶瓷材料中的应用及作用机理
摘要:
电气石是一种工业矿物,化学成分复杂,种类繁多。
本文将着重介绍电气石成分、结构以及一些特性,并阐述了电气石矿物在陶瓷材料中的应用以及它的作用机理。
关键字:
电气石陶瓷应用作用机理
Theapplicationandmechanismoftourmalinemineralinceramicmaterials
Abstract:
Tourmalineisakindofindustrialmineralswhichhasacomplexchemicalcompositionandwidevarieties.Thearticleintroducethecomposition,structureandsomecharacteristicsoftourmalineatfirst,andthenexplainedtheapplicationandmechanismofactionofTourmalineMineralMaterialinCeramicMaterial.
Keyword:
tourmaline ceramic use mechanismofaction
1、电气石
1.1电气石的基本简介
电气石,英语称Tuomailin译为托玛琳。
中国在公元644年唐太宗征西时得到了这种宝石,称“碧玺”,并将它刻制成印章。
清朝时把“托玛琳”称为“碧玺”琢刻而成的莲花,重达1056.25克(三十六两八钱),价值白银75万两。
在中国的一些历史文献中也有将“托玛琳”称之为砒硒、碧霞希、碎邪金等,但多称为“碧玺”。
在1880年,居里家族揭开了这种宝石的秘密,既:
Tourmaline晶体两端都带有正、负电核,表面流动着0.06mA的微电流,因此就有了“电气石”这个学名。
1986年,日本科研人员发现,电气石被粉碎的越细,所释放的能量越大。
他们将粉碎的电气石晶体同天然纤维结合在一起制成的纤维,称为“梦”的纤维,并将其应用于保健领域。
目前,采用的是韩国21世纪的高科技技术--液态电气石。
最初透明的电气石在1703年锡兰岛挖掘出来被人们当成会结聚灰尘的神奇石头。
主要产地为巴西、中国、斯里兰卡、非洲马达加斯加,其中以巴西的电气石蕴藏丰富,品质优良,其中既有钻石那样透明的,也有红、黄、蓝、绿、紫、茶、粉、无色、咖啡色、赤色、黑等11种色彩。
如下图1。
图1天然电气石图片
可以说,电气石是集“天然负离子器”、“远红外线发射仪”、“细胞活化师”、“血管清道夫”、“生态水整理器”、“生命宝石”等众多美誉于一身。
因此,电气石不仅成为人类健康的朋友,也成为了提高人们生活品质的一颗耀眼的科技新星,为人类的健康带来了福音。
1.2电气石的成分
电气石的化学通式为:
NaR3Al6[Si6O18][BO3]3(OH,F)4;晶体属三方晶系,环状结构硅酸盐矿物的总称。
式中R代表金属阳离子,当R为Mg2+、Fe2+或(Li+Al3+)时,分别构成镁电气石、黑电气石和锂电气石三种特殊矿物。
电气石是一种含硼的环状硅酸盐矿物,由于其晶体结构和化学成分的复杂性,直到20世纪50年代确定其晶体结构以后,提出比较合理的成分结构其化学通式一般可以表示为:
XY3Z6Si6O18(BO3)3V3W,其中
X=Ca2+、K+、Na+、空位;
Y=Fe2+、Mg2+、Al3+、Li+、Mn2+、Fe3+、Mn3+、Cr3+、Ti4+;
Z=Al3+、Mg2+、Cr3+、V3+;
V=OH-、O2-;
W=OH-、O2-、F-;
目前,国际矿物学界公认的电气石族矿物种有11种,如表1所示。
在自然界中,广泛的分布着电气石类质同像系列,其中铁电气石-镁电气石、铁电气石-锂电气石以及镁电气石-钙镁电气石之间为完全的类质同像,镁电气石-锂电气石之间为不完全类质同像。
电气石由于含有的成分不同而呈现出不同的颜色,电气石中富含Fe时呈现黑色,富含Cr时呈现深绿色,富含Li、Mn和Cs时呈现玫瑰红色或淡蓝色,富含Mg时呈现褐色和黄色。
电气石的莫氏硬度值为7~7.5,密度在3.03~3.40g/cm3之间,随着电气石成分中Fe和Mn含量的增加,密度也随之增大。
表1电气石族主要矿物
1.3电气石的结构
电气石属于三方晶系,对称型为L33P,空间群为C53v-R3m;六个晶格参数分别为a0=b0=1.584~1.603nm,c0=0.709~0.722nm,α=β=90°,γ=120°。
电气石的晶体结构由[Si6O18]六元环(图a)、[BO3]三元环(图b)和[AlO6]八面体、[YO6]三重八面体(Y-Fe,铁电气石;Y-Mg,镁电气石,图c)组成。
[Si6O18]六元环由6个较规则的[SiO4]四面体彼此共用角顶连接而成,[SiO4]四面体的角顶指向同一方向,被解释其电极性存在的原因;六元环呈复三方对称,底面与Z轴垂直、与X-Y面基本上保持平行。
[AlO6]呈略微畸变的八面体配位,彼此之间共棱连接成与c轴平行的螺旋柱(图d)。
[YO6]三重八面体由3个[YO6]八面体共棱且共一角顶连接而成,会聚于Z轴上。
每个[YO6]八面体与两个[AlO6]八面体共棱连接形成水镁石结构段。
OH基团占据两个不同的晶体位置:
一个位于六元环的中心位置,OH与三个八面体阳离子配位;另一个位于水镁石结构段三个八面体共用的角顶位置,OH与一个Y离子和两个Al配位。
X阳离子位于[Si6O18]六元环中心的空隙中,配位数为9。
三个[YO6]八面体之间分布有B原子,形成[BO3]三角形。
电气石的微观结构示意图如图2所示
图2 电气石的晶体机构(a.Si6O18六元环;b.BO3三元环;c.[YO6]八面体;
d.电气石在(0001)面上的结构投影图;e.电气石的微观结构图)
1.4电气石的性质
1.4.1自发极化性
在没有外电场作用时,铁电晶体或铁电陶瓷中存在着由于电偶极子的有序排列而产生的极化,称为自发极化。
在垂直于极化轴的表面上,单位面积的自发极化电荷量称为自发极化强度。
它是一个矢量,用P表示。
晶体由于自发极化而产生表面电荷,但由于表面电荷的抵偿作用,而不显示其固有极化。
当温度改变引起其自发极化电荷发生不可抵偿的变化时,晶体才会显示其固有的极化,显示出热释电性。
由于电气石被证明在没有温度和压力变化的情况下,存在表面静电场。
但由于电气石不属于铁电体,目前电气石产生“自发极化”性质的机理还在探索中。
一般认为是电气石特有的晶体结构导致了其自发极化性,电气石的热释电性表现为温度的变化可以加强电气石晶体的极化,加大表面静电场强度。
Voigt检测了室温下电气石晶体的自发极化值为Ps=0.011μC/cm2。
1.4.2热释电性
由于温度的变化,热释电晶体和压电陶瓷等会出现结构上的电荷中心相对位移,使它们的自发极化强度发生变化,从而在它们的两端产生异号的束缚电荷,这种现象称为热释电效应,具有这种性质的材料称为热释电体。
晶体只有存在单极化轴时,方有可能在这一方向上发生与其它方向程度不同的应变,使晶体结构内正负电荷中心发生不同程度的相对位移,引起非极性晶体中出现了电矩(极化)或极性晶体中电矩加大(或减少),表现为晶体表面从不显电性到显示电性或所呈现的电性加强(或减弱),也就是呈现出热释电效应。
晶体的热释电效应与结构和成分密切相关。
根据理论分析和实验验证,电气石为3m点群,有一个三次轴和3个互成120°的二次轴,晶体的c轴与三次轴平行,3个a轴与3个二次轴平行。
当温度变化时,电气石晶体在沿其三次轴L3的两端便产生数量相等、符号相反的电荷。
电气石的热电性是一种带电的、不对称的、非简谐性振动,热电系数K随温度的升高而呈非线性增加,下表2为电气石晶体的热正极与热负极特征.
表2电气石晶体的极性变化
1.4.3压电性
压电性是某些晶体材料按所施加的机械应力成比例地产生电荷的能力。
由于机械应力的作用而使电介质晶体极化,并形成晶体表面电荷的效应称为正压电效应,反之,由于外加电场而使晶体形变的效应称为反压电效应,正压电效应、反压电效应统称压电效应。
具压电效应的晶体称压电晶体。
压电效应现象由居里兄弟俩于1980年发现。
矿物的压电性只发生在无对称中心,具有极性轴的各晶类的矿物中。
天然电气石单晶矿物一般具有压电效应,即通过纯粹的机械作用而不是借助外电场的作用,使矿物晶体中的带电粒子发生相对位移,从而发生电极化,导致电气石的两端出现符号相反的表面束缚电荷,这些电荷密度往往与外力成比例关系。
1.4.4红外辐射特性
电气石同时具有显著的压电性与热释电性,即使在常温下,一旦环境压力或温度发生微弱变化,其内部分子振动增强,偶极矩发生变化,即热运动使极性分子激发到更高的能级。
当它向下跃迁至较低能级时,就以发射电磁波的方式释放多余的能量,其余的能量以光子形式被带走。
因此,电气石向外界发射电磁波的动力来自于外界环境温度与压力的变化,该过程实质上是电气石与环境之间的能量交换。
研究表明,电气石能发射4~14μm波长的红外线,且其法向比辐射率达0.92左右,与市场上的人造红外陶瓷粉料相当,是促进人体血液循环及新陈代谢最理想的红外材料;电气石的红外辐射还可使土壤温度升高,缩短农作物的生长期,从而达到丰产的目的。
有研究粗略的表明电气石的铁含量、表面特性及热处理方式会对红外辐射性造成影响,图3为杨如增所测的新疆和云南两地的黑色电气石的红外吸收光谱。
图3天然黑色电气石红外吸收特性分析曲线
1.4.5负离子发生特性
负离子是离子化空气的重要成分,对人类和生物有着很重要的作用,被人们称为空气的维生素和生长素。
在静电场的作用下,水分子发生电解,形成H+和OH-,H+和水分子结合形成活性分子H3O+,活性分子具有极强的界面活性,可以吸引水中的杂质、污垢,起到净化水源的作用;OH-和水分子结合形成负离子(H3O2)-,可以增加空气中的负离子数,改善人们的生活环境。
由于电气石具有压电性和热释电效应,因此在温度、压力变化的情况下即能引起电气石晶体的电势差,使周围的空气发生电离,被击中的电子附着于邻近的水和氧分子并使它转化为空气负离子,即负氧离子。
电气石的电场强弱可用电极化强度来评价,电极化强度越大,产生负离子的能力就越强。
电气石的天然电场对空气中的水分子产生微弱的电解作用,方程式为:
4H2O+2e-→2H3O2-+H2↑ ,(H3O2)-即负离子。
2、电气石的应用
电气石矿物相对较少,优质透明色彩鲜艳者尤为少见,常作为宝石,俗称为碧玺。
次者为玉雕材料。
碧玺属中上档次宝石,国际宝石市场上,碧玺同海兰宝石、兰宝石、紫牙乌同档次,仅次于祖母绿。
电气石除了作为宝石外,还有其它的用途,因为适用于作为宝石的电气石毕竟是少数,大多数不能成为宝石原料;
电气石的热电性、压电性、透明的晶体纵向切面有偏光和多色性等特点,使电气石具有许多非宝石用途,可应用于电子工业、声、光材料、磨料、环保以及保健等领域。
2.1电子工业:
可用电气石作无线电工业用的波长调整器,偏光仪中的偏光片。
结晶完好、无弯曲、无裂纹的电气石,可作测定空气和水中的冲压用的压电计。
2.2声电材料:
电气石可用于声纳元件,一般使用天然电气石晶体,最好是无色或粉红色的宝石级晶体。
2.3测试材料的标准、仪器和工业设备上的元器件。
在核准压电流体压力计和测试仪器时,往往采用电气石作为标准。
2.4在硼的实验中,电气石还是一种控制物质,因为它本身就是一种惰性的含硼化合物。
2.5在检查肥料中水溶性硼的可能影响的试验中,也可利用电气石作标准。
2.6许多科学和工业仪器使用电气石作为电气石钳,能显示出光的偏振。
2.7因为电气石既是热电又是压电性的,即是说,在加热或压缩时都能产生电,所以它是测量高压和流体压缩性仪器的一种部件,热剂量计是测量辐射气强度的早期的仪器,它也是依赖于电气石的热电特征。
2.8电磁波防护器:
由电气石微粒层、胶层、塑料薄膜层及纸层的层状结构材料。
可以防止有害电磁波侵袭人体,而将其转化为对人体无害的远红外线。
它可广泛用于汽车驾驶室、电脑操作室、电弧操作车间、变电所等各处以及游戏机、电视机、微波炉、电热毯、电话、手机等多种电气设备上。
2.9研磨材料:
电气石的硬度大,一般为7~7.5,可作为研磨材料。
2.10日本科技界已将电气石用于环保、医疗、日用化工、塑料、建筑装潢、国防、负离子发生装置、健康衣料及保健品、化妆品、卷烟、配药、汽车、涂料、改良土壤、水质处理、净化空气以及屏蔽电磁辐射等高科技领域。
2.11电气石具有电自极化性能,极化能量来自温度变化,其热释电系数为10-7~4×10-6C·cm-2·k-1;电器石超细粉体能持续的释放负离子和发射远红外线,并能产生0.06毫安的生物电流。
因而电气石粉末在无源条件下可产生负离子,催化分解甲醛等有害有机分子,促进空气中悬浮物的沉降,从而净化空气。
2.12电气石的远红外发射率可达0.93;可吸附水中重金属,调节水的pH值至中性,还可活化水分子。
饮用经电气石处理的保健水,可抵抗疲劳、安神静气,促进人体微循环、抗菌消炎,调整机体平衡,提高健康水平。
2.13具有净化空气、电气石还可以添加于塑料母粒、化纤、海绵、无纺布、化装品等产品中,以增加其功能,再利用这些产品制成各种成品,如沙发、椅垫、床上用品、过滤材料、服装等成为人们日常生活中的绿色伴侣。
2.14电气石上可同时存在两种或两种以上的颜色,由于其两端结晶构造不同,光线通过时就会产生二色性的现象。
2.15然而,并非所有的电气石都具有同样性能,其电极自极化性能、释放负离子和发射远红外线功能取决于其晶体结构、矿物成分与离子交换水平。
3、电气石在陶瓷材料中的应用
3.1电气石陶瓷球
电气石陶瓷球又称电气石球,电气石陶瓷球,电气石能量陶瓷球,电气石矿化球,托玛琳球。
是利用优质电气石,食品级陶土以及多功能健康陶瓷材料复合加工而成,是一种高科技健康陶瓷产品。
英文名称:
TourmalineBall产品规格:
直径1-25mm
3.1.1电气石陶瓷球电解水产生弱碱性水
因为电气石具有压电性和电热性,可以电解水分子,产生两种负离子(羟离子与水合氢离子),产生弱碱性水,降低水的氧化还原电位,提高人体的免疫力;同时能够获得活性作用、氨的安定化、铁的钝化,能够预防(预防)红色铁锈生成。
3.1.2电气石陶瓷球产生负离子
电气石陶瓷球产生的负离子不仅能促成人体合成和储存维生素,强化和激活人体的生理活动,因此它又被称为"空气维生素",认为它像食物的维生素一样,对人体及其他生物的生命活动有着十分重要的影响。
3.1.3电气石陶瓷球产生小分子水
水的分子(H2O)并非单独存在,其分子曾相互结合,形成分子团。
普通的水是大分子团水,成链状结构,不易被人体吸收,并且大分子团水内部很容易包藏有毒有害有机物,使人体健康遭受损害。
而电气石陶瓷球依据其能量可以打开大分子团间的氢键,产生分子团较小的水,口感更佳,并能够提高渗透力、溶解力、代谢力和补养能力等。
3.1.4电气石陶瓷球释放远红外线
电气石陶瓷球可以产生2-18微米的远红外线,能够渗透到身体深层部位,温暖细胞,促进血液循环,使新陈代谢顺畅。
电气石的远红外线放射力达到90%以上,数值较其它矿物高。
3.1.5含有有效微量矿物质
电气石陶瓷球含有各种天然矿物质,可充分将锌、锂、碘、硒等二十多种人体必需的微量元素,缓慢均匀地释放在净化水中,使得活化净水含有更多的有益矿物质。
借着微弱电流作用,矿物质容易被吸收,是极佳的矿物质来源。
3.1.6电气石陶瓷球的功效
①水分子团变小,容易渗透细胞膜,增加细胞活性、增加人体免疫力。
②消除水的异味及余氯、消灭有害物质、致癌物。
③水质偏弱碱性、有助于人体酸碱平衡和营养平衡。
④富含人体所需的钙、镁、纳、钾等微量元素和各种矿物质。
⑤电导率高、氧化还原电位(OPR)低,促进消化,预防衰老,有利长寿。
⑥在阳光、温度、压力等任一条件下产品功效各特点保持不变。
可适用于,饮用水处理和洗澡用水处理。
3.2电气石对多孔陶瓷材料性能的影响
多孔陶瓷也称为气孔功能陶瓷,它是成型后经高温烧成,体内具有大量彼此相通或闭合气孔的陶瓷材料。
它的主要功能在于巨大的气孔率、气孔表面以及可调节的气孔形状、气孔孔径以及在三维空间的分布、连通等,具有一定的强度、形状和其他陶瓷的基本性能,以及主要利用巨大的比表面积和独特的物理表面特性,对液体、气体介质有选择透过性,能量吸收或阻尼特性,和优良的热、电、磁、光、化学等功能的高新技术无机非金属材料[8]。
研究表明[9],多孔陶瓷材料的这些性能与电气石的电极性、释放负离子、远红外辐射等性能进行了有机结合,材料经焙烧后,一方面是微粒之间相互扩散、熔融,分子之间相互运动,从而达到均匀的目的;另一方面能消除杂质,提高产品的孔隙率和产品的吸附能力。
所制备的材料即可作为环境功能材料(如TiO2)的多孔陶瓷,使其成为具有光催化、抗菌和吸附等互相加强复合功能的新型环境材料,也可以用于废水的处理。
3.3电气石在负离子陶瓷材料中的应用
负离子陶瓷主要是以可释放负离子的某些稀土类矿物或天然矿物为原料,添加粘土、激发剂和助熔剂等原料,通过高温锻烧后制成。
负离子陶瓷是一种以电气石为主要原料制备的新型功能陶瓷材料。
由于电气石具有热电性和压电性这两种效应,当温度和压力发生变化时,负离子功能陶瓷材料能使其周围局部形成高电压,这个能量足以使空气发生电离,生成的电子附着于邻近的分子使之转化为空气负离子。
空气负离子对健康的作用已被众多的研究所证明。
负离子功能陶瓷材料其显著的特征是永久释放负离子,具有电自极化性能,极化能量来自温度的变化,在光源条件下产生的负离子,可吸附水中的重金属,调节水的PH值至中性或弱碱性,并有活化水分子的作用。
因此,负离子陶瓷材料的开发应用对保护生态环境,提高人民身体健康具有重要意义。
3.4其他应用
由于电气石的性能使得它在许多领域都有着广泛的应用,如在医疗保健及化妆品等相关行业,利用电气石对微生物的影响改善水环境电气石还可以提高复合材料的光催化性能等。
参考文献:
[1]HawthorneFC,HenryDJ.ClassificationoftheMineralsoftheTourmalineGroup[J].EurJMineral,1999,11:
201-215.
[2]林善园,蔡克勤.电气石族矿物学研究的新进展[J].中国非金属矿工业导刊,2004,6:
21-24.
[3]T.Gonzalez-Carreno,M.Fernandez,J.Sanz.InfraredandElectronMicroprobeAnalysisofTourmalines[J].Phys.Chem.Minerals,1988,15:
452-460.
[4]Castaneda,C.,Oliveira,E.F.,Gomes,N.andPedrosa-Soares,A.C.Infrared
[5]姚启钧.光学教程[M].北京:
人民教育出版社,1981.
[6]久保哲治郎.电气石水界面活性[J].固体物理应用,1989,24(12):
47-52.
[7]MengJunping,LiangJinsheng,OuXiuqinetal.EffectofMineralTourmalineParticlesonthePhotocatalyticActivityofTiO2ThinFilms[J].JournalofNanoscienceandNanotechnology,2008,8(3):
1279-1283.
[8]刘辉,孙伟.[J].矿冶工程,2003,23(6):
69-71
[9]高如琴,郑水林,许辉.功能材料,2007:
2146-2149
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