电气石矿物在陶瓷材料中的应用及作用机理1

电气石矿物在陶瓷材料中的应用及作用机理摘要：电气石是一种重要的天然矿物材料，在很多领域有着广泛的应用。

本文首先介绍了电气石的成分，结构。

阐述了电气石在陶瓷材料中的应用以及它的作用机理。

关键词：电气石；陶瓷材料；应用Abstract: Tourmaline is an important natural mineral materials, has been widely applied in many fie ld s. T h is p ap er firs t int ro d uces the to ur ma line co mp o s it io n, str uct ure. The t o u r m a l i n e c e r a m i c m a t e r i a l s a s w e l l a s i t s m e c h a n i s m o f a c t io n. Key words: tourmaline ; Ceramic materials ; application1．电气石近年来的研究发现电气石具有永久的辐射远红外线，释放负离子和生物电等特性。

因此电气石逐渐成为热门的天然矿物功能晶体材料，收到世界各国的普遍重视，在环境保护、人体健康、农业生产等领域都具有非常重要的应用价值。

1.1电气石的化学成分电气石Tourmaline ，俗称 碧玺，又译为 托玛琳。

硬度介于7~7.5之间，折射率约为1.62~1.64之间，折射率差约在0.020。

电气石是一种硅酸岩矿物，主要成分有镁，铝，铁，硼等10多种对人体有利的微量元素。

电气石最早发现于斯里兰卡，当时被视为与钻石、红宝石一样珍贵的宝石。

人们注意到这种宝石在受热时会带上电荷，这种现象称为热释电效应，故得名电气石。

其化学通式为：[][]()36618343,NaR Al Si O BO OH F ，式中R 代表金属阳离子，当R 为2M g +、2Fe +或(Li + 加3Al +)时，分别构成镁电气石、铁电气石和锂电气石三个端元矿物种。

1.2电气石的晶体结构电气石属三方晶系，其矿物的晶体结构非常复杂，普遍认为电气石晶体结构基本特点是硅氧四面体4SiO 组成复三方环。

B 配位数为3，组成平面三角形；Mg 配位数为6，组成八面体，与3BO 共氧相连。

在4SiO 四面体的复三方环上方的空隙中有配位数为9的一价阳离子Na+分布。

之间以5()AlO O H 八面体相联结(图G-24)。

1.3电气石的性质热电性和压电性：当均匀的加热或者加压整个电气石晶体时, 在晶体的对称轴两端会产生等量异号的电荷, 是热电性和压电性，使得电气石产生电荷, 从而在电气石表面附近存在静电场, 具有电场效应。

NaKamura 指出电荷的产生有两个来源, 一个是自发极化效应导致, 另一个是受热振动或应力导致。

电气石的热电性是一种带电的, 不对称的, 非简谐振动。

自发电极性：T.kubo （1986）发现水源于常年积雪的富士山Kakita 河里的水难于被污染，注意到河水流经火成岩的地层，引起了他对电气石的研究，发现电气石的一端可以吸引2C u 离子，以此推断可能存在自发极化即永久性电极。

不受外界电场的影响，其自发极化值是一个与温度无关的数值。

电气石的极化效应Ps 表现为电气石周围静电场的存在，就象磁铁的磁极一样，有自发的磁性存在。

自发电极的存在已为实验所证实，被解释为组成六连环的硅氧四面体4SiO 4-角顶定向所致。

Voigt 检测了在室温下电气石晶体的自发极化值，得到Ps=0.011uC/cm2,是3BaTiO 在室温下的1/2400。

电气石的电场效应主要表现为：电场对水的电解作用；静电场对带电离子的吸附与中和作用。

（1） 电场对水的电解作用由于自发极化效应，在电气石的周围存在着以C 轴轴面为两极的静电场，E0=Ps/2?0。

（a/r ）3,a 为电气石微粒半径，r 为距中心的距离。

由此可知，在电气石表面厚度十几微米范围内存在10的7次方（最高值）~10的4次方V/m 的高场强。

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，可以增加空气中的负离子数，改善人们的生活环境。

（2） 静电场对带电离子的吸附与中和实验证实，静电场对处于其中的带电粒子有吸附作用，可以用于吸附粉尘、带电离子等。

将电气石微粉分别置于pH=1、13的酸碱溶液中，1小时后H+、。

OH-浓度显著减少，酸碱趋于中和。

溶液中H+浓度与时间成线性关系：log[H+]=A-Bt ，也可表示为：-d[H+]/dt=B[H+](A,B)为常数）电气石微粒与水的作用机制解释如下：通过电气石表面的高强静电场，表面十几微米范围内的H+、OH-离子被吸附到电气石的两极，与电解形成的H+和OH-中和，过多的H+以氢气的形式被释放出去。

随着电气石表面H+离子的减少，在浓度差作用下，远处的H+离子不断向电气石表面移动直至达到平衡为止。

H+离子的减少速率与水中H+浓度成正比。

产生负离子：按Kubo 的理论，电气石存在永久性电极，与水分子作用，将水分子电离形成H + 和OH -。

H +会形成水合氢离子(3H O +) 或形成2H ，OH -形成水合羟基离子32H O -，32H O -散发到空气中即为空气负离子，并称之为“负碱性离子”。

方程式为:2322442H O e H O H --+→+↑如果空气中的水份、人类身体的汗液等其它水分子接触到电气石，也会发生上述反应，产生负离子进入人体。

发射远红外线：电气石是一种对人体健康非常有益的远红外线发射材料，具有偶极距，当它们做热运动时，相应的偶极距发生变化，即热运动使极性分子激发到更高的能级，当它们向下跃迁时把多余的能量以电磁波的方式放出。

人体吸收远红外线最佳波长为9． 6 μm，而电气石具有放射4 ～ 18 μm 波长的远红外线的特性。

经过硝酸铈修饰过的电气石远红外线发射率会提高，当铈的质量分数为6%， 600 ℃下焙烧3 h 后，电气石的远红外发射率最高能达到94%。

H O-) ，电气石的表面活性和吸附性能：利用电气石永久带电性能电解水，生成羟离子(32羟离子具有表面活性作用( 可使人体油份经过乳化、浸透、分散、溶化等过程最终分解) 、还原作用( 中和酸性物质) 、吸附作用 ( 吸附一些重金属离子) 、清洁作用( 抗菌、灭菌) 、除臭等。

电气石还可以作为酸性、碱性废水的水处理介质，在改变溶液pH 值和电导率的同O-，同时具有提升溶液溶氧量的作用。

时，溶液中的羟基离子与自发电极诱导电荷作用产生22．电气石在陶瓷材料中的应用陶瓷是陶器和瓷器的总称。

中国人早在约公元前8000－2000年（新石器时代）就发明了陶器。

陶瓷材料大多是氧化物、氮化物、硼化物和碳化物等。

常见的陶瓷材料有粘土、氧化铝、高岭土等。

陶瓷材料一般硬度较高，但可塑性较差。

除了在食器、装饰的使用上，在科学、技术的发展中亦扮演重要角色。

陶瓷原料是地球原有的大量资源黏土经过淬取而成。

而粘土的性质具韧性，常温遇水可塑，微干可雕，全干可磨；烧至700度可成陶器能装水；烧至1230度则瓷化，可完全不吸水且耐高温耐腐蚀。

其用法之弹性，在今日文化科技中尚有各种创意的应用。

传统陶瓷是使用普通硅酸盐原料及部分化工原料，按照一定的工艺方法，加工、成形、烧成而得的满足人们日常生活需要的用于内外墙面、地面、厨房及卫生间等主要起装饰作用且功能性应用的陶瓷制品，包括日用陶瓷餐具、内瓷砖、外墙砖、地砖、玻化砖、瓦及陶管等。

这些陶瓷制品是人们日常都会接触到得物体，随着科学的发展和社会文明的进步，人们对其提出了更高的要求，不但要求其具有良好的机械性能，而且要具有绿色保健功能，具有一定的功能性。

因此传统陶瓷也逐渐向功能化发展，这就需要对传统陶瓷进行表面改性处理，在赋予传统陶瓷一定的功能性之外又不会增加太多成本，从而提高其产品附加值。

目前改性主要集中在抗菌，防污等方面，其他如负离子、发光、抗静电等方面也日益引起人们的重视。

功能陶瓷是一类颇具灵性的材料，它们或能感知光线，或能区分气味，或能储存信息……因此，说它们多才多能一点都不过分．它们在电、磁、声、光、热等方面具备的许多优异性能令其他材料难以企及，有的功能陶瓷材料还是一材多能呢！而这些性质的实现往往取决于其内部的电子状态或原子核结构，又称电子陶瓷。

已在能源开发、电子技术、传感技术、激光技术、光电子技术、红外技术、生物技术、环境科学等方面有广泛应用。

此外，还有半导体陶瓷、绝缘陶瓷、介电陶瓷、发光陶瓷、感光陶瓷、吸波陶瓷、激光用陶瓷、核燃料陶瓷、推进剂陶瓷、太阳能光转换陶瓷、贮能陶瓷、陶瓷固体电池、阻尼陶瓷、生物技术陶瓷、催化陶瓷、特种功能薄膜等，在自动控制、仪器仪表、电子、通讯、能源、交通、冶金、化工、精密机械、航空航天、国防等部门均发挥着重要作用。

在奇妙的材料世界里还有许多未知的现象有待于我们去探究，相信随着科学技术的进一步发展，人类也必然会发掘出功能材料的新功能，并将其派上新用场。

2.1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：Tourmaline Ball 产品规格：直径1-25mm。

（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。

（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）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。

（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。