电气石在水热溶液中的生长及性能调控因素

【作者】 郭铭； 董发勤； 张伟； 张云翼； Elena Kotova； Leonid Kotov；

【机构】 西南科技大学； ST. Petersburg Mining University；

【摘要】 电气石属环状硅酸盐矿物^[1],在花岗岩、变质岩和沉积岩中经常作为成岩矿物出现^[2,3],其晶体结构属三方晶系,有唯一的三次旋转对称轴c轴^[4],除此之外,垂直于该轴无对称轴、面或对称中心。电气石具有复杂的化学式XY₃Z₆[T₆O₁₈][BO₃]₃V₃W,同一位置有许多不同的元素替代,物理性质表现出良好的热释电性、压电性和自发极化特性^[5]。电气石矿物在世界各地的矿区均有开采,虽然全球电气石储量丰富,但是不同产地、不同类型矿床产出电气石的矿物组成及矿物学特征差异明显,电气石性能不稳定,导致电气石应用受限。人工合成电气石可以很好地解决天然电气石化学成分复杂、类质替代现象和晶体结构存在缺陷等问题,可为研究天然电气石中某种端元种属元素或离子占位导致的性能改变提供针对性的定位和补充,使人工合成电气石能具有更优越的性能。本研究以期在探明电气石成分结构与性能关系的基础上,阐明不同种属电气石的性能调控机制,构建具有优异性能的电气石成分结构模型,获取电气石产电材料的最佳理论合成配方,通过晶体合成技术进行电气石的成分结构可控合成,实现对电气石性能的人工调控。以锂电气石为合成目标,设计了一种水热体系,成功合成出纯度较高、粒度较大的锂电气石,探索了水热体系中影响产物相的关键因素。对合成产物研究发现天然锂电气石和人工合成锂电气石在成分上的差异并测试了二者的自发极化性能。二者成分差异明显,特别占据Y位的元素,这可能导致结构差异;在水热体系中生长的锂电气石无法避免类质同象替代现象,在结晶过程中,仍有多种元素掺入同一位置;本文合成的锂电气石拥有更优异的自发极化性能,相较于天然锂电气石,人工合成锂电气石的物相更纯,且人工合成锂电气石Fe²⁺相对含量更高,导致其结构更接近性能最优构型,这可能造就人工合成锂电气石具有更优越的性能。更多还原