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電氣石的自發(fā)極化效應(yīng)和遠(yuǎn)紅外輻射
2020/8/12 14:54:53
電氣石(Tourmaline) 是電氣石族礦物的總稱，是以含硼為特征的鋁、鈉、鐵、鎂、鋰的環(huán)狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物，結(jié)構(gòu)式為Na(Mg,Fe,Mn,Li,Al)3Al6[Si6O12][BO3]3(OH,F)4。根據(jù)不同的類質(zhì)同像，可分為鐵電氣石、鎂電氣石和鋰電氣石。電氣石晶體結(jié)構(gòu)為三方晶系，對(duì)稱型為L(zhǎng)33P，晶體常呈短柱狀、長(zhǎng)柱狀或針狀，柱面有縱紋，橫斷面呈球面三角形，集合體呈針狀、纖維狀或放射狀，有時(shí)呈粒狀或隱晶質(zhì)塊狀，顏色隨成分而異，有黑色（含F(xiàn)e）、紅色（富含Mn、Li、Cs）、褐黃色（含Cr），無色透明的少見；玻璃光澤，硬度7~7.5，無解理，密度2.9~3.5g/cm3,具有熱電性與壓電性。電氣石作為一種新型的工業(yè)礦物，在環(huán)保、電子、醫(yī)藥、化工、輕工、建材等領(lǐng)域，由于礦物獨(dú)特的性質(zhì)及產(chǎn)品的高附加值，受到世界各國(guó)的普遍重視。
1 電氣石的自發(fā)極化效應(yīng)
1898年，日本學(xué)者Kubo發(fā)現(xiàn)并提出來電氣石具有永久性自發(fā)極化效應(yīng)。電氣石晶體在沿其三次對(duì)稱軸的兩端會(huì)積聚一定量的異性電荷，產(chǎn)生異性兩極：Voigt檢測(cè)了室溫下電氣石的自發(fā)極化值，得到Ps=0.011MC/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，晶體的總電矩發(fā)生相對(duì)位移，正負(fù)電荷中心發(fā)生分離，晶體的總電矩發(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，在電氣石晶體周圍存在奮斗目標(biāo)以C軸軸面為兩極的靜電場(chǎng)，場(chǎng)強(qiáng)Eo=Ps/2Eo，據(jù)Voigt給出的Ps值，得到Eo=6.2×10^6V/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，Ex=(2/3)Eo(a/r)3，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10~104V/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（Fe2+、Mg2+，Al3+、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。
電氣石環(huán)境功能屬性及應(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)，在日本、美國(guó)、韓國(guó)、中國(guó)等國(guó)家，電氣石用于居室等小環(huán)境的改善已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。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，如在無源條件下可產(chǎn)生負(fù)離子；具有遠(yuǎn)紅外發(fā)射功能，發(fā)射率可達(dá)0.93；電磁屏蔽功能；調(diào)節(jié)水的pH值至中性；活化水分子等。這些環(huán)境功能屬性使得電氣石具有廣泛的應(yīng)用。
電氣石的紅外輻射功能及應(yīng)用
紅外線是電子波譜的一部分，其波長(zhǎng)為0.76~1000um，介于可見光與微波之間。按波長(zhǎng)不同又分為近紅外（0.76~1.50um）、中紅外（1.5~5.6um）、遠(yuǎn)紅外（8~14um）和超遠(yuǎn)紅外（15~1000um）。如前所述，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)境之間的能量交換。