电气石晶体结构特点、性能及其应用摘要：电气石复杂的化学组成和特殊的晶体结构使其具有独特的性质，如压电性、热电性及自发极化性，能发射红外线、释放负离子、产生生物电等，因而在医疗保健、环保等领域有着广泛的用途和良好的发展前景。

本文总结了我国电气石资源的分布情况，主要对电气石的结构、性质、制备及应用现状进行了综合论述。

关键字：电气石结构性质应用Crystal Structure, Properties and Applications of TourmalineAbstract With the very complex chemical composition and special crystal structure, tourmaline obtains excellent and unique characteristics, such as piezoelectricity, pyroelectricity and spontaneous polarization, emission of infrared ray, release of negativeions, and generation of bioelectricity and so on. Therefore, it has wide uses and favorable development prospect in the fields of medical treatment, health protection and environment protection and so on. This article summarized the mineral resources status of tourmaline in China,and the structure, properties, fabrication methods and current status of application of the tourmaline are mainly reviewed as well.Key Words tourmaline, structure, property, application引言电气石是一种硅酸岩矿物，其工艺名称为“碧玺”。

电气石是多元素的天然矿物，主要成分有镁，铝，铁，硼等10多种对人体有利的微量元素。

据考证, 我国在公元644 年唐太宗西征时, 就得到过漂亮的电气石，并将其刻成印章。

在清代的皇宫里, 保存了不少的碧玺饰物。

1703 年, 人们发现电气石能吸引或排斥较轻物体, 如灰尘和草屑等, 因此, 电气石最早又叫“吸灰石”因为它能吸附细小的纸片，又是带电的石头，故称为“电气石”。

1880年法国的皮埃罗、查里兄弟证实了电气石具有压电性和热电性; 1989 年日本学者Kubo 发现电气石存在自发的永久电极性。

电气石的性能和特性不断为人类所认知, 并探索着应用于社会。

近年来的研究发现，电气石除了可作为探矿指示剂及对成岩、矿石形成有重要作用外，还能发射红外线、释放负离子、抗菌、除臭并对水和空气有净化和改善作用。

因此,电气石逐渐成为热门的天然矿物功能材料，受到世界各国的普遍重视，应用范围也在不断扩大。

本文对其结构、性能、应用领域等进行了综述，以为其技术与产品开发提供依据。

1 我国电气石资源概况我国的电气石资源较丰富, 潜在资源量较大, 分布较广。

全国除上海、天津、重庆、宁夏、江苏、海南及港、澳、台等省市区未见报道有电气石产出外, 其余25 个省市自治区均发现有电气石产出, 特别是西部地区的电气石资源较丰富。

全国已知电气石产地150多处, 有80 多处具一定规模。

初步估计我国电气石矿物潜在资源量在数千万吨以上, 仅对黑龙江林口42号伟晶岩脉、广西贵港龙头山、云南石屏龙潭及西盟阿莫、内蒙古卫境苏木及别鲁乌图、西藏玉龙莽总、山西中条山及辽宁凤城宽甸地区等几个电气石矿产规模较大产地资源量的估算,其资源量就近2000 万吨。

在我国发现的电气石主要为与岩浆作用有关的电气石及热水沉积岩型电气石。

蒸发环境形成的电气石在我国未见报导。

表生风化型电气石较少, 见于阿尔泰地区的砂矿中, 此外, 河流砂屑沉积物中也有呈重砂矿物产出的。

其中以热水沉积岩型、伟晶岩型、花岗岩类热液型更为常见。

2 电气石的组成与结构2.1 电气石的组成电气石可产于火成岩、变质岩、交代岩，有时也会出现在沉积岩中。

它并不是单一的矿物，而是一组具有相同晶体结构的同形矿物，其种类繁多并且成分复杂。

化学通式可表示为XY3Z6[T6O18](BO3)3V3W，X=Na+, Ca2+, K+,(?)；Y=Li+,Fe2+, Mg2+,Al3+, Fe3+, Mn2+, Cr3+, V3+, (Ti4+)；Z= Mg2+, Al3+,Fe3+, Cr3+, V3+, (Fe2+)；T=Si4+, Al3+, (B3+)；B= B3+, ( ? )；V= [O(3)] = (OH)-, O2-；W= [O (1)] = (OH)-, F-, O2-(? 表示空位)。

根据阳离子的不同，可分为三大类，即碱性电气石、钙电气石和无碱电气石。

电气石晶体常呈三方或六方柱状，其密度与Fe, Mn 等金属的含量有关，一般为3.02～3.40g/cm3，硬度为7～7.5(莫氏硬度)，折射率为1.62～1.644，双折射率为0.018，玻璃光泽，色散0.017，具有明显的多色性，经常可见到色带或色环，无解理面，具有脆性。

电气石不能被一般的无机酸(包括氢氟酸)完全分解；熔点相差较大，如锂电气石为1725℃，镁电气石为1100℃，黑电气石为1105℃。

2.2 晶体学特征在电气石的晶体结构中，硅氧四面体组成[Si6O18]12-六联环，三个R一O4(OH)2配位八面体与六联环相接，共用硅氧四面体角顶上的一个O2-。

三个配位八面体的交点被(OH)-所占据，[BO]3扩三角形与配位八面体层共用一个O2-，如图1所示。

图1：沿（010）方向电气石晶体结构3 电气石的性质3.1 颜色多样性电气石能呈现多种颜色,目前关于电气石致色机理主要有以下两种看法。

(1) 电气石中存在广泛的类质同像现象,不同金属离子间的置换导致其颜色多样,其化学组成轻微的变化就能导致完全不同的颜色[1]。

例如,富锰的颜色多为红色,富铁的颜色多为黑色,富铬的颜色多为褐黄色。

(2) 电子或离子孔势阱的产生。

K.Krambrock 等[2]用γ射线辐射电气石产生黄色中心,并用EPR ,ENDOR 和ODEPR 对这个黄色中心分析,发现辐射诱导产生的黄色中心与电气石组成结构中O-孔势阱的产生紧密相连,他们认为O-位于O1 位置(OH 位置的基本组成单元,为3 个八面体所共有) 。

Castaneda 等[3、4]通过对电气石样品进行热处理来研究其颜色变化,并探讨了电气石颜色变化机制。

发现电气石呈现红色, 晶体结构中Mn2+的出现,加热处理后其颜色不发生变化,究其原因主要是锰离子的价态没有发生变化,且铁离子也没有发生氧化。

而蓝色电气石在热处理时颜色发生变化主要是由于铁离子的部分氧化导致晶体结构的调整,并伴随着电子势阱的产生。

电气石晶体结构相邻八面体中铁离子发生电子移位能够产生绿色,蓝色,黑色。

3.2 压电与热电效应晶体存在单向极轴，在压力或温度变化时该方向发生的应变与其他方向不同，使晶体结构内正负电荷中心发生相对位移，引起晶体中电矩的变化，使得晶体表面显电性或电性增强。

晶体的热电效应与结构及成分密切相关，电气石也不例外。

Donnay 认为热电效应主要是由于W 位置O 原子的不对称、非简谐性振动引起的，也有可能与Na 及与Na、B 配位的氧原子有关，它们也存在异常大的温度系数，但没有大的位移[5]。

通过坤特试验可测试电气石的热电效应，坤特现象越明显其热电效应越强。

杨如增等研究发现，随氧化铁含量的增加，热电效应逐渐减弱[6]。

3.3 发射红外线电气石即使在常温下，一旦压力或温度发生微小变化，其内部就可发生剧烈振动，从而产生波长4～14μm，发射率在0.92 以上的远红外线。

采用红外辐射测量仪可测量电气石的比辐射率。

杨如增等认为红外辐射与电气石的晶体结构、化学组成、折射率等有关，随折射率的增加而下降[7]。

3.4 释放负离子电气石能产生与自然界瀑布、森林等存在的相同的负离子，而且不混杂臭氧和活性氧等有害物质，故被称为“天然负离子发生器”。

一般情况下，每1cm3的电气石可以自动地、永久地释放5000 个以上的负离子。

对电气石释放负离子原理的解释有 3 种假说，即太阳风说、大气电离说和羟离子说[8]。

3 种假说均与电气石的电特性有关，同时水是不可缺的重要条件。

一般认同羟离子说[8]，即水分子接触能放出负电子(e)的电气石瞬间放电，周围的水分子立即发生轻微电解，水分子分解为氢离子(H+)和羟基(OH-)。

氢离子马上与电气石放出的负电子(e)结合而被中和，成为氢原子(H)放入空气中；剩下的羟基与周围的水分子结合成羟离子(H3O2-)，即带负电荷的负离子。

3.5 生物电所谓生物电，即活的细胞或组织在静止或活动状态的电位以及变化。

经测定，人体的生物电流为0.06mA。

而电气石的电流为直流静电型，恰好为生物电级微弱电流(0.06mA)。

姚鼎山认为电气石能连续产生直流静电，是由于被称为“太阳风”的负离子通过大气层落到地球表面，其中的一些被电气石正电极吸收，不断地被传到负电极，于是有一个负电子从负电极侧跳出沿电力线飞到正电极，形成电场。

宇宙落下的负离子一直被电气石的正电极吸收，所形成的电场则循环不息，静电一直在流动，电气石内就永久地存在电极，连续不断地产生静电[8]。

电气石具有“正、负电极”是其产生电流的必要条件。

Nakamura 等称在常温下电气石两端带异号电荷的现象为“自发极化”[9]。

电气石存在自发电极与其晶体结构有关，2 种八面体的晶格扭曲导致其稳定性降低，直接作用于(BO3)三角，在(SiO3)6四面体六角环单向性作用下，引起(BO3)三角中B(硼)原子从三角平面中向c 轴的反方向位移，导致自发极化[10]。

3.6 矿物质与微量元素电气石含有并能在水中释出钠、镁、铁、锂、锰、铝、硅、硼、氧、氢、氟等11 种矿物质和微量元素。

其中铁、锰、硅、氟为人体必需的微量元素。

4 电气石的提纯方法我国的电气石资源较丰富,但较纯的高品位电气石矿不多,而含石英、云母与长石的贫矿较多,一般贫矿的电气石含量为50%左右。

因此,如何最大限度的提纯电气石是深加工的关键。

目前对矿物的提纯方法有以下几种:4.1 重选影响重选的主要因素是密度和粒度。