同济大学海洋与地球科学学院硕士学位论文电气石电学特性机理及影响因素研究姓名：徐礼新申请学位级别：硕士专业：海洋地质指导教师：杨如增20030228电气石电学特征机理及影响因素研究摘要论文通过对来自新疆、云南、广西、内蒙古、越南和南非等地电气石的化学成分、ＸＲＤ物相分析、晶胞参数和压电常数的测定及其晶体结构中各种结构单元偶极矩的分析，研究了电气石的化学成分对晶胞参数的影响，阐述了铁、镁、锂、氧元素的含量及铁离子的价态对电气石晶胞参数起到重要影响作用；研究了电气石的压电常数与晶胞参数的关系，提出了电气石的压电效应随晶胞参数的增大而增大，随引起压电效应的离子电荷数的增加而增加，分析认为电气石的化学成分主要是通过两个方面来影响其压电效应的大小：一是化学元素的离子半径，二是离子所提供的电荷数大小。根据电气石晶体压电常数矩阵的表示式ｆｏｏ００ｄｌ，一ｄ２２１ｄ＝卜如也２０ｄ１５００ｌ，Ｉ如ｌ以。以３０００Ｊ

从而表明电气石在Ｘ、Ｙ、Ｚ方向均能产生压电效应的现象，压电效应的方向、大小与外加作用力的方向和性质有关。在切应力死、死作用下，电气石的Ｘ方向能产生压电效应；在正应力乃、死或切应力死作用下，电气石的Ｙ方向能产生压电效应；而Ｚ方向的压电效应，只有在正应力作用下才能产生。通过对电气石晶体结构中各个结构单元在平行于Ｚ轴和垂直于Ｚ轴方向上偶极矩的详细图解与计算公式分析，研究了不同结构单元对电气石产生压电效应和热释电效应的贡献，从晶体结构上解释了电气石压电常数矩阵的物理意义，研究了电气石产生压电效应和热释电效应的原因，为合理利用电气石原料，开发电气石功能产品提供了理论依据。

关键词：电气石、压电效应、热释电效应、化学成分、物相。Ｓｔｕｄｙｏｎ

ＭｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎ

ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｒｏｐｅｒｔｙｏｆＴｏｕｒｍａｌｉｎｅ

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ｔｈｅ

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ｆｏｒｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙｕｓｉｎｇｏｆｔｈｅｔｏｕｒｍａｌｉｎｅｒｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｏｆｔｈｅ

ｆｕｎｃｔｉｏｎ

ｐｒｏｄｕｃｔｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｏｕｒｍａｌｉｎｅ，ｐｉｅｚｏｅｆｆｅｃｔ，ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｆｆｅｃｔ，ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，ｐｈａｓｅ．

Ⅱ申请同济大学硕士学位论文第一章前言第一章前言

一、国内外研究状况１．早期对电气石电学特性的认识电气石“ｔｏｕｒｍａｌｉｎｅ’’这一名称最早来自于Ｓｉｎｈａｌｅｓｅ语ｔｕｒｍａｌｉ，古锡兰工匠用于指不明身份的混装宝石。在西方文献中最早出现是在１７０７年，ＪｏｈｎＳｃｈｍｉｄｔ在其著作中提到“一种叫做ｔｏｕｒｍａｌｉｎｅ，或ｔｕｒｍａｌ的宝石，产自Ｅａｓｔｉｎｄｉｅｓ的Ｃｅｙｌｏｎ（锡兰，今斯里兰卡）：它象磁铁一样，能吸附热的草木灰或燃烧过的煤灰，也能排斥它们。’’对电气石的科学研究，始于１７１７年，物理化学家ＬｏｕｉｓＬｅｍｅｒｙ在科技杂志上首次刊登了对其带电现象的叙述。１７５６年，Ｄｒ．ＦｒａｎｚＵｌｒｉｃｈＴｈｅｏｄｏｒＡｅｐｉｎｕｓ

提交了其电学性质的第一份重要报告，提出电气石由于加热产生电荷，而并非是当时普遍认为的摩擦生电。１８２４年，ＤａｖｉｄＢｒｅｗｓｔｅｒ在他的文章“ＯｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓｏｎｔｈｅＰｙｒｏ—Ｅ１ｅｃｔｒｉｃｉｔｙｏｆＭｉｎｅｒａｌｓ＂中首次提出“热电性”这一术语。２．２０世纪中期对电气石的电学性质应用研究电气石电学性质的应用研究兴盛于２０世纪中期，已在许多领域得到了应用，尤其是在红外检测和热成像方面【ｌｌ。１９３８年，ＹｅｏｕＴａ提出电气石晶体可用作红外光谱探测器。１９４２午Ｓｉｖｉａｎ的“Ｅｎｅｒｇｙｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎｕｔｉｌｉｚｉｎｇ

ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ’’获得了美国专利。此后，随着８ａＴｉ０３热电性的发现，对电气石的研究多局限于矿物学、岩石学、宝石学方面，而对其电学（如压电、热释电）效应其及应用方面几乎再没有深入研究。３．电气石矿物学、岩石学方面的研究随着对电气石矿物学、晶体学研究的不断深入，人们对电气石晶体结构的认识已经相当成熟［２１，如８ｕｅｒｇｅｒＭ

Ｈ于１９６２年就指出，在电气石的晶体结构中，

六个硅氧四面体的角顶指向同一个方向【３１，这为后来解释电气石的压电和热释电效应非常有用。电气石的结构特征决定了它的许多性质，如压电效应和热释电效应等等，已有研究表明，压电晶体的结构必须不存在对称中心，电气石的３ｍ对称性可以产生压电和热释电效应等。电气石晶体结构中究竟是那些结构单元对电气石的电学性质起到贡献作用，至今仍然没有给出一个明确的答案。申请同济大学硕士学位论文第一章前言国内外学者对电气石在岩石学方面的研究最为广泛，这方面的成果也非常丰厚降１５１。也不乏有一部分学者对电气石的电学性质作了一些很有益的研究，据彭明生、傅晓明研究表明【１６‘１７】，不同成因电气石中［０盯］占位不同，变质岩型、矽卡岩型电气石中只有一个［０盯］占位，而伟晶岩型和热液型矿床中电气石［０Ｈ一］则有两个无序占位，根据电气石某些物理性质对氢有依赖性，从而预言不同成因类型的电气石的热释电性不同。但是从整体上来说，国内外学者主要在电气石的矿物学和岩石学方面进行了大量的研究工作，关于电气石的压电和热释电效应及其应用还不多见。４．电气石在环保和保健领域的应用研究现状１９８９年，日本学者Ｋｕｂｏ首次发现了电气石微粒周围存在静电场现象，就此对电气石微粉的电场效应展开了一系列应用研究，提出电气石的自发电极为永久性电极，不受外界电场影响；其自发极化值Ｐｓ是一个与温度无关但与温度的变化率关系密切，电气石的自发极化值为，Ｐｓ＝Ｏ，０１ｌｘｌＯ刁库仑／ａｍ２，是ＢａＴｉ０３在室温下的ｌ／２４００／１３】。由此提出电气石在环保领域的应用前景，兴起了电气石在环境、人体保健等领域应用研究的新潮。此后，日本、美国学者纷纷开始了对这一方面的应用性研究。这些研究主要是电气石产品开发，１９７６年至２００１年世界各国开发电气石产品的专利统计如表（卜１）所示。这些产品的开发主要是直接利用电气石的电学性质，仍然很少涉及到其应用机理方面的研究。

表１－１世界各国有关电气石专利统计０９７６—２００１）

Ｔａｂｌｅ１—１Ｐａｔｅｎｔｓｏｎｔｏｕｒｍａｌｉｎｅｉｎｓｏｍｅｃｏｕｎｔｒｉｅｓ（１９７６·２００）

专利美国日本欧洲中国

起始时间１９４２１９８４１９９０１９９８

数量统计２４２３５１３７１１２

起始时间１９８９１９８９

１９９０１９９８

环境

件数６７

３４９３５１１２

专利

比例２７．６９％

９９．４３％９４．５９％１００％

注：专利统计截止日期，美国，２００１，１１：日本２０００，７；欧洲２０００，７；中国２００１，ｌ。

国内对电气石的应用研究主要开始于１９９７年，上海、北京、广州、大连、２