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電氣石的自發(fā)極化效應(yīng)和熔噴無(wú)紡布駐極作用
2020/8/13 10:04:13
電氣石具有永久性自發(fā)極化效應(yīng)，其極化值不受外界電場(chǎng)影響。已經(jīng)證實(shí)電氣石顆粒周?chē)嬖陟o電場(chǎng)，而且電氣石顆粒能夠釋放負(fù)離子和發(fā)射遠(yuǎn)紅外線(xiàn)。利用電氣石的這些性質(zhì)，可將電氣石應(yīng)用于環(huán)境與健康領(lǐng)域，如水處理、環(huán)保涂料及健康衣料等。因此，電氣石是一種很有前景的天然綠色環(huán)保材料。
[關(guān)鍵詞]電氣石；自發(fā)極化；環(huán)境與健康；應(yīng)用
電氣石是以含硼為主的環(huán)狀硅酸鹽礦物，其化學(xué)式為Na(Mg,Fe,Mn,Li,Al)3Al6[Si6O18](BO3)3(OH,F)4。一直以來(lái)，電氣石被作為寶石礦物加以利用，少量用于儀器設(shè)備中的光學(xué)元件，大量非寶石級(jí)電氣石幾乎未得到利用。1989年，日本學(xué)者Kubo發(fā)現(xiàn)并提出電氣石具有永久性自發(fā)極化效應(yīng)，從而為電氣石為工業(yè)礦物，尤其是在環(huán)境與健康領(lǐng)域應(yīng)用開(kāi)辟出嶄新的途徑。
1電氣石的晶體結(jié)構(gòu)及其自發(fā)極化效應(yīng)
實(shí)驗(yàn)證實(shí)，電氣石晶體在沿其三次對(duì)稱(chēng)軸的兩端會(huì)積聚一定量的異性電荷，產(chǎn)生異兩極；與一般“誘電體”只有放入電場(chǎng)才會(huì)產(chǎn)生電極化不同，電氣石不放入電場(chǎng)中，礦石本身也有電極化產(chǎn)生，其電極不受外界電場(chǎng)影響。Voigt檢測(cè)了室溫下電氣石晶體的自發(fā)極化值，得到Ps=0.011uC/cm2。一般認(rèn)為，極化電荷的產(chǎn)生是由電氣石具有的熱電性和壓電性引起的。當(dāng)電氣石晶體所處環(huán)境溫度與壓力變化時(shí)，晶體中帶電粒子之間發(fā)生相對(duì)位移，正負(fù)電荷中心發(fā)生分離，晶體總電矩發(fā)生變化，從而導(dǎo)致極化電荷產(chǎn)生。電氣石的自發(fā)極化效應(yīng)表現(xiàn)為，在電氣石晶體周?chē)嬖谥鳦軸軸面為兩極的靜電場(chǎng)，場(chǎng)強(qiáng)E0=2e0。據(jù)Voigt給出的Ps值，得到E0=6.2×10的6次方v/m。當(dāng)電氣石晶粒很小時(shí)，電氣石微粒的作用相當(dāng)于一電偶極子，由于正負(fù)電荷作用相互抵消，在平行于C軸方向電場(chǎng)強(qiáng)度最大，靜電場(chǎng)隨著遠(yuǎn)離中心迅速減弱，E2=（2/3）E0（a/r）的三次方，a為電氣石微粒半徑，r為測(cè)點(diǎn)距中心的距離。由此可知，在電氣石表面十幾微米范圍內(nèi)存在10的7次方（最高值）~104V/m的高場(chǎng)強(qiáng)。電氣石的自發(fā)極化效應(yīng)是永久性的，與其結(jié)構(gòu)和成分密切相關(guān)。電氣石為3m點(diǎn)群，必三方晶系，晶體結(jié)構(gòu)由[Si6O18]復(fù)三方環(huán)、[BO3]三角、[X-O5（OH）]三重八面體組成（X為Fe2+、Mg2+、Al、Li、Fe3+、Mn2+）。構(gòu)成[Si6O18]復(fù)三方環(huán)的六個(gè)硅氧四面體，角頂指向同一方向，被解釋為其極性存在的本質(zhì)原因。因此，不同結(jié)晶狀況、不同成分的電氣晶體，其自發(fā)極化效應(yīng)有差異。對(duì)于不同產(chǎn)地的電氣石，通過(guò)“坤特”試驗(yàn)可直觀(guān)地比較出其極化效應(yīng)的強(qiáng)弱。坤特試驗(yàn)是用等量的硫磺與鉛丹混合粉末，通過(guò)一個(gè)塑料噴灑向電氣石晶體，由于坤特粉在混合和通過(guò)塑料噴篩時(shí)摩擦產(chǎn)生靜電，使坤特粉帶荷，其中鉛丹粉（紅色）帶正電荷。硫磺粉（黃色）帶負(fù)電荷，同時(shí)電氣石的自發(fā)極化效應(yīng)使其晶體沿C軸兩端帶有符號(hào)相反的電荷。于是，電氣石晶體帶正電荷的一端吸引硫磺粉而顯黃色，晶體帶負(fù)電荷的一端剛吸引鉛丹粉而顯紅色。電氣石晶體極化效應(yīng)的強(qiáng)弱可由坤特現(xiàn)象的明顯程度（即晶體兩端顏色分異性強(qiáng)弱）表現(xiàn)出來(lái)。