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 ; application

1．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2

2．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