電氣石的熱釋電性及其應(yīng)用學(xué)士學(xué)位論文(編輯修改稿)
2025-07-24 15:34 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 O4]四面體組成復(fù)三方環(huán)。B配位數(shù)為3，組成平面三角形；Mg配位數(shù)為6（其中有兩個(gè)是OH175。）,組成八面體，與[BO3]共氧相連。在[SiO4]四面體的復(fù)三方環(huán)的上方的空隙中有配位數(shù)為9 的一價(jià)陽(yáng)離子Na+分布，之間以[AlO5(OH)]八面體相聯(lián)結(jié)（如圖2）[9]。圖2 電氣石的晶體結(jié)構(gòu)電氣石是一種結(jié)構(gòu)和成分都很復(fù)雜的含硼硅酸鹽礦物，直到五十年代對(duì)電氣石晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定以后，才提出比較合理的成分。它的化學(xué)通式為：XY3Z6[Si6O18]（BO3）3W4，其中X的位置被Na+、Ca2+、K+占據(jù)，有時(shí)也會(huì)形成空位（可形成無(wú)堿電氣石），還可以被Mg2+、Mn2+、H3O+占據(jù)；Y的位置主要被Mg2+、Fe2+、Al3+、Li+所占據(jù)，也會(huì)被Mn2+、Fe3+、Ca2+、Mn3+、Cr3+、Ti4+占據(jù)；Z的位置主要被Al3+占據(jù)，也會(huì)被Mg2+、Fe2+、Cr3+、V3+、Ti3+、Ti4+占據(jù)，W的位置主要是被OOH175。、F175。、Cl175。占據(jù)[10]。 由于XYZ位置的置換以及形成環(huán)境的不同而表現(xiàn)出來的成分上的差異，形成了結(jié)構(gòu)大致相同、成分有一定差異的眾多的電氣石種類。從成分上來講，自然界主要的電氣石種類分別是富Na和Mg的鎂電氣石、富Na和Fe元素的鐵電氣石、富Ca和Mg元素的鈣鎂電氣石以及富Na和Li元素的鋰電氣石。在礦物學(xué)中的分類和名稱（如表1）。表1 電氣石的分類和名稱名稱XYZ（O,OH,F）常見顏色鋰電氣石（Elbaite）Na+Li+Al3+Al3+(OH)4粉色、粉紅色鎂電氣石（Dravite）Na+Mg2+Al3+(OH)4褐紅（深紅和深綠的見于非洲）黑電氣石（Schorl）Na+Fe2+Al3+(OH)4黑色布格電氣石（Buergetite）Na+Fe3+Al3+O3F暗古銅褐至黑色鉻鎂電氣石（Chromdravite）Na+Mg2+Cr3+(OH)4深綠色高鐵鎂電氣石（Ferridravite）Na+Mg2+Fe3+(OH)4黑色鈣鎂電氣石（Uvite）Ca2+Mg2+Mg2+Al3+(OH)4褐色，偶見綠色或無(wú)色鈣鋰電氣石（Liddicoatite）Ca2+Li+Al3+Al3+(OH)4褐色，藍(lán)色或粉—綠色電氣石屬三方晶系，對(duì)稱型L33P。空間群R3m。晶胞參數(shù)分別為： 鋰電氣石 a0= 197。， c0= 197。 黑點(diǎn)其實(shí) a0= 197。， c0= 197。 鎂電氣石 a0= 197。， c0= 197。 α=90176。 β=90176。 γ=120176。 Z=3（二） 電氣石熱釋電性的產(chǎn)生原理晶體在受熱情況下表面會(huì)產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)，而晶體的這種性質(zhì)稱為熱電性。晶體按其晶胞中有無(wú)固有電矩分為極性晶體和非極性晶體。晶體只有存在唯一的與其它任何極軸都不相同的“單向”極軸時(shí)，方有可能在這一方向上發(fā)生與其它方向程度不同的應(yīng)變，使晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)正負(fù)電荷中心發(fā)生不同程度的相對(duì)位移，引起非極性晶體中出現(xiàn)了電矩(極化)或極性晶體中電矩加大(或減少)，表現(xiàn)為晶體表面從不顯電性到顯示電性或所呈現(xiàn)的電性加強(qiáng)(或減弱)，也就是呈現(xiàn)如熱釋電效應(yīng)。晶體的熱釋電效應(yīng)與結(jié)構(gòu)和成分密切相關(guān)。根據(jù)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，電氣石為3m點(diǎn)群，有一個(gè)三次軸和3個(gè)互成120176。的對(duì)稱面，晶體的c軸與三次軸平行（如圖3）。3個(gè)a軸與3個(gè)對(duì)稱面平行。當(dāng)溫度變化時(shí)，電氣石晶體在沿其三次軸L3的兩端便產(chǎn)生數(shù)量相等、符號(hào)相反的電荷。電氣石的熱電性是一種帶電的、不對(duì)稱的，非簡(jiǎn)諧性振動(dòng)，熱電系數(shù)K隨溫度的升高而呈非線性增加。圖3 電氣石晶體極射赤平投影晶體的熱釋電效應(yīng)強(qiáng)弱度量, 可以用熱釋電系數(shù)來表示。設(shè)晶體整個(gè)均勻地發(fā)生微小的溫度變化ΔT，則自發(fā)極化矢量Ps的變化為ΔPs=PΔT，P是一個(gè)矢量，一般有三個(gè)分量，Pi（i=1,2,3），Pi稱為熱釋電系數(shù)，單位為C/（m2K）。（三） 電氣石熱釋電性的影響因素電氣石的熱釋電效應(yīng)與電氣石化學(xué)組成有密切關(guān)系，氧化鐵含量對(duì)電氣石的熱釋電效應(yīng)有直接影響。隨氧化鐵含量的增加, 熱釋電效應(yīng)逐漸減弱。電氣石的熱釋電性與溫度的變化區(qū)間存在關(guān)系，取決于晶體在不同區(qū)間的晶格膨脹率導(dǎo)致的不同程度離子位移或電子云的偏移。冀志江在同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)提到在400900℃溫度區(qū)間內(nèi)熱膨脹率和收縮率應(yīng)是相等的，如果在該溫度區(qū)間晶格產(chǎn)生了不可恢復(fù)性的彈性形變，可能加熱與冷卻產(chǎn)生的電荷量不會(huì)相等，所以，溫度區(qū)間應(yīng)是受限的[11]。三、 電氣石熱釋電性的應(yīng)用電氣石作為環(huán)境功能材料已得到國(guó)內(nèi)外環(huán)境科學(xué)界的公認(rèn)，研究證明由于自極化效應(yīng)使得電氣石具有一些環(huán)境功能屬性如在無(wú)源條件下可產(chǎn)生負(fù)離子；具有遠(yuǎn)紅外發(fā)射功能，；電磁屏蔽功能；調(diào)節(jié)水的PH值至中性；活化水分子等[12]。這些環(huán)境功能屬性使得電氣石具有廣泛的應(yīng)用。（一） 電氣石的紅外輻射功能及其應(yīng)用紅外線是電子波譜的一部分，介于可見光與微波之間。電氣石同時(shí)具有顯著的壓電性與熱電性，即使在常溫下，一旦環(huán)境壓力或溫度發(fā)生微弱變化，其內(nèi)部分子振動(dòng)增強(qiáng)，偶極矩發(fā)生變化，即熱運(yùn)動(dòng)使極性分子激發(fā)到更高的能級(jí)，當(dāng)它向下躍遷至較低能級(jí)時(shí)，就以發(fā)射電磁波的方式釋放多余的能量，其余的能量以光子形式被帶走。因此，電氣石向外界發(fā)射電磁波的動(dòng)力來自于外界環(huán)境溫度與壓力的變化，該過程實(shí)質(zhì)上是電氣石與環(huán)境之間的能量交換。電氣石在還原性氣氛條件下進(jìn)行熱處理后，可具有比遠(yuǎn)紅外陶瓷粉料更高的紅外比輻射率值，其紅外輻射峰值與維恩
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