电气石的工业应用研究现状

电气石的工业应用研究现状

陈涛李珍等

（中国地质大学材料科学与化学工程学院）

[摘要] 电气石具有热电性、压电性、自发电极、红外辐射等独特而重要的性质，可以广泛应用于电子、化工、环保以及人体保健等领域，电气石已经成为国内外功能矿物材料研究的热点之一。本文分析认为，随着国内民众对环保和健康的关注程度增加，电气石作为一种具有人体保健和环境保护功能的天然矿物材料，必将有极大的发展前景和经济价值。国际上电气石应用主要集中在应用在纺织品、美容产品等经济价值较高的产品上。国内的电气石开发应用尚处于起步阶段，并且存在缺失环节即电气石的精细加工。因此国内电气石开发应用重点在电气石的超细加工改性及电气石复合材料的研制。

从电气石为人们所发现以来，其一直都只是被当作一种宝石矿物。在国内，宝石级别的电气石成为碧玺。而大量达不到宝石标准的电气石，特别是观赏价值较低的黑电气石不为人们所重视。上世纪80年代，日本的科学家Kubo等发表了一系列电气石的研究文章，证明电气石具有压电性、热电性、自发电极、红外辐射等一系列独特而重要的性质，电气石作为功能矿物材料的价值才逐渐为人们所发现。电气石的独特性质使之能广泛的应用于电子元器件、环境保护以及人体保健等领域。目前，日本、韩国有数百种电气石相关产品，并且达到相当的工业规模。2000年在日本，与电气石有关的产品市场销售额高达100亿美元。

由于电气石的主要工业应用领域为环境保护和人体保健，特别是美容产品。在上个世纪八、九十年代，我国的国民生活还处于较低水平。环境保护和人体保健相关的工业领域还不为人们所重视和关心，因此尽管日本美国的发达国家已经将电气石作为一种重要的工业矿物进行开发利用，而国内却依然不重视。直到近几年来，随这生活水平的稳步提高，环保和健康开始为人们所重视，电气石作为一种具有环境保护和人体保健功能的矿物材料的重要性，才逐渐为国人所认识。但由于起步太晚，目前国内的电气石相关工业还几乎为零，仅仅集中在电气石矿产的开采以及粗加工，其产品价格相对于最终产品十分低廉。并且电气石主要都出口到了日本和韩国，如新疆某矿山的电气石已经被韩国客商所全部预定。

我国是电气石的主要矿产资源地之一，电气石资源较为丰富，储量估计在数千万吨以上。据日本专家预测：在今后的五年内，中国市场将会形成研究开发和生产与电气石相关的环保和人体健康产品的热潮，届时中国的资源优势和巨大的市场需求潜力将会显示出强大的生命活力。到目前为止，国内有电气石相关发明专利224项，实用专利46项，涉及矿物加工、涂料、防治品等诸多领域。

1.国内外电气石资源分布概况

世界上由很多国家和地区都出产电气石，其中优质的电气石，包括宝石级的电气石主要出产于巴西、俄罗斯、斯里兰卡、缅甸和美国等国家的一些省份地区，如巴西的阿拉苏阿伊、圣若泽－达萨菲拉，美国的加利福利亚州、纽约洲、缅因洲，俄罗斯的乌拉尔山等。其中巴西是世界上最大的电气石出产国，约占全球产量的50％～70％。另外意大利、坦桑尼亚、肯尼亚、马达加斯加、莫桑比克、阿富汗、巴基斯坦以及南非和非洲东部地区都蕴藏有大量

电气石资源。

在国内，人们一直把电气石作为一种装饰用品，并未认识到其也是一种功能矿物材料。因此在地质勘探中，除宝石级电气石外，仅将电气石作为找矿标志或成岩成矿环境的指示剂看待。所以，尽管有大量文献资料报道了电气石相关的矿产资源情况，但对电气石是否富集成矿，是否具有可开采价值并没有进行评估。这也就导致我国的电气石资源总体状况不明。但从目前已开发或报道的电气石矿来看，我国电气石潜在资源是十分丰富的。

我国现有25个省市自治区发现有电气石产出，电气石产地达到150多处，其中达到一定规模的已有80余处，尤其是西部和东北部地区电气石资源丰富，如新疆、内蒙、辽林、广西、云南等省份。目前已开采的几处较大规模的电气石矿的总储量已达到2000万吨以上。

2. 电气石的结构与性质

2.1电气石的化学成分与结构

电气石是一种以含硼为特征的结构十分复杂的硅酸盐矿物。上世纪五十年代对电气石的结构进行了测定，才得到其化学通式：XY3Z6[Si6O18][BO3]3W4（X的位置主要为Na+、Ca2+、K+；Y的位置主要为Mg2+、Fe3+、Al3+；W的位置则主要为O-、OH-、F-所占据）。电气石晶体结构属三方晶系，C53V-R3m群，a0=b0=1.584～1.603，c0=0.709～0.722。电气石为极性矿物，三重对称轴为C轴，垂直C轴无对称轴和对称面也没有对称中心。电气石的晶体结构，不同学者做过结构分析，其结果颇有分歧，但大家都肯定硅氧四面体连接成复三方环。电气石结构比较公认的模式是：硅氧四面体组成[Si6O18]12-复三方环，三个配位八面体与复三方环相接，共用硅氧四面体角顶上的一个O2-。三个配位八面体的交点位于复三方环的中轴线上，被OH-所占据。在该OH-离子的对角处，也是OH-离子的所在。(BO3)3-三角形与配位八面体层共用一个O2-。这样复杂的络阴离子，彼此间又借Al3+离子相连。Al3+作六次配位，形成Al-O5（OH）配位八面体，它与上述配位八面体层上Mg-O4（OH）2配位八面体共用一棱。

2.2电气石的物理性质

电气石的主要物理性质包括压电性、热电性、自发极化以及红外辐射特性。电气石的这些特殊性质是其各种应用的基础，应此加强对电气石基本性质的研究，是提升电气石应用深度，扩展电气石应用领域的必备前提。

2.2.1自发电极性与热电性

1880年法国物理学家皮埃尔·居里和雅克·居里共同发现了电气石晶体在温度和表面压力变化的情况下，晶体表面产生静电场的现象，并由此认定电气石具有压电性和热电性。上世纪80年代日本东京大学的中村辉太郎和环保学者久保哲治郎通过离子吸附试验，间接的证明了电气石晶体在没有外界电场作用且温度和压力不发生变化时，存在着形成表面静电场的自发极化。由此证明了电气石独特的自发极化现象，并引起了电气石自发计划机理的大讨论。

电气石具有热电性，在工程领域热电性又称热释电效应。一般认为晶体的自发极化是其热电性的前提。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矩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，因此电气石的热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。