电气石 （硼硅酸盐矿物）

简介

电气石具有压电性、热释电性、导电性、远红外辐射和释放负离子性等独特性能，通过物理或化学方法与其他材料复合，可制得多种功能材料，被应用于环保、电子、医药、化工、轻工、建材等领域。

简介

电气石

电气石是一类环状硅酸盐矿物，其结构通式可表示为XY3Z6Si6O18（BO3）3W4，式中X=Na、Ca、K、空位， Y=Mg、Fe、Mn、AI、Fe、Mn、Li，Z=AI、Fe、Cr、Mg，W=OH、F、O。其中X，Y，Z三位置的原子或离子种类不同会影响电气石的物理性质。晶体结构的对称性为R3m。电气石的主要矿种有铁电气石（Sehorl）、镁电气石（Dravite）和锂电气石（Elbaite）等。

主要电气石族矿物及其密度如下表：

电气石块

矿山直接开采下来的单个晶体状或微小晶粒聚集成一定体积的块状电气石。

电气石砂

粒径大于0.15mm小于5mm的电气石颗粒。

电气石粉

电气石块或砂经过加工获得的粉状产品。

对于各型产品的具体参数，请参见《JC/T 2012-2010 电气石 电气石粉》中相关规定。

研究简史

有关电气石的记载，始于古锡兰，之后陆续发现它具有电性、压电性，并被用于红外光谱探测和热像等仪器上。1880年Jacques和Pierre首次发现了电气石的压电性效应。1989年，日本学者Kubo首次发现了电气石存在自发电极、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，由此兴起了电气石在环境、人体保健领域的研究新热潮。此后，日本，美国等国学者纷纷开始了对这一方面的应用性研究，陆续申请了多项专利。

特性

自发电极性

当电气石晶体所处环境温度与压力变化时，晶体中带电粒子之间发生相对位移，正负电荷中心发生分离，晶体的总电矩发生变化，从而导致极化电荷产生。电气石的自发极化效应表现为，在电气石晶体周围存在着以c轴轴面为两极的静电场。当电气石晶粒很小时，电气石微粒的作用相当于一电偶极子，由于正负电荷作用相互抵消，在平行于c轴方向电场强度最大，电气石的自发极化效应是永久性的，与其结构和成分密切相关。

压电、热电效应

电气石同时具有压电效应和热电效应，当周围环境发生变化，温度或压力改变时，电气石晶格内晶键发生扭转，电子发生转移，使得电气石一端带正电，另一端带负电。相反的电极被定义为c和c，c是冷却或加压过程中沿c轴压缩的正极，c是在加热或减压过程中沿c轴膨胀的负极。

分类

矿物种分类

有学者将电气石分为镁铁锂电气石、钙镁电气石、钠锰电气石、布格电气石四个矿物种。

（1）镁铁锂电气石：Na（MgFeAlLi）3Al6（BO3）3（Si6O18）（O，OH，F）4

根据三元完全类质同象（类质同象是在一种晶体的内部结构中﹐本来完全可由某种离子或原子占据的位置﹐部分地由性质类似的他种离子或原子所占据﹐共同形成均匀的﹑单一相的混合晶体的现象。一般而言，相互替代的原子或离子的半径接近，离子类型和化学键相同或相近，则比较容易形成类质同象替代，同时还要能保持电价平衡）种的划分分为三个亚种：

镁电气石（Dravite）：NaMg3Al6（BO3）3（Si6O18）（OH）4

铁电气石（Schorl）：NaFe3Al6（BO3）3（Si6O18）（OH）4

锂电气石（Elbaite）：Na（Li1.5Al1.5）Al6（BO3）3（Si6O18）（OH）3（OH）

（2）钠锰电气石：NaMn3Al6（BO3）3（Si6O18）（OH）4

（3）钙镁电气石：CaMg3（Al5，Mg）（BO3）3（Si6O18）（OH）4

（4）布格电气石：NaFe3Al6（BO3）3（Si6O18）O3F

颜色分类

电气石按其颜色的不同，主要可分为黑色电气石和彩色电气石。其中，彩色电气石又可分为红色、蓝色、绿色、黄色等。通常黑色富铁；粉红色富锂、锰；褐色、黄色富镁；绿色富铬。其中，一般我们所见的为黑色电气石，主要有铁电气石、布格电气石等。

粉体改性方法

电气石的电效应、离子吸附性等会随着其粉体粒径的减小而呈增强趋势，并具有一系列优异的表面与界面性质，但由于粉体颗粒的比表面积大，比表面能高，在制备和加工处理过程中极易产生团聚，使得电气石在复合材料中分散不均匀，从而影响复合材料的综合性能。为提高电气石粉体在复合材料基体中的分散性，增强电气石复合材料的综合性能，需要对电气石粉体进行表面改性。

机械力化学改性

该方法是指通过摩擦﹑粉碎等强烈机械力作用有目的地活化颗粒表面，使其结构复杂或表面无定形化，从而增强它与有机物或其他无机物的反应活性，达到表面改性的目的。

表面有机包裹法

表面有机包裹法是利用有机表面改性剂分子中的官能团与无机矿物粉体颗粒表面发生化学吸附或化学反应，从而达到对颗粒表面进行改性的目的。所用表面改性剂主要有偶联剂、高级脂肪酸及其盐、有机低聚物、不饱和有机酸以及水溶性高分子等，是目前最常用的无机粉体表面改性方法。

应用领域

水处理

由于电气石具有永久的自发性电极，产生的静电场对水中重金属离子（Cu、Pb、Zn、Cd）和杂质有吸附作用因此可将其应用于污水处理等方面。

饰品原料

作为宝石原料。自然界电气石（电气石）是色彩和色调最丰富的矿物种。电气石是具有独特3次极轴的晶体结构，在电气石不同结晶学位置都有多种类质同像出现，致使成分极为复杂。沿极轴方向随着化学成分的变化，晶体结构的调整，因此电气石晶体色彩变换无穷，有红色、粉红色、黄色、蓝色、绿色、紫色、茶色、无色、咖啡色、赤色、黑色等11种色彩，色调的过渡性层次感强烈。

电磁屏蔽材料

电气石可与空气中的水分子形成阴离子，中和辐射发出的阳离子，以阻止电磁波的传播。用含电气石微粉的物质做成外壳，有电磁屏蔽和消除静电的作用。

其他

对于电气石能产生负离子这一特性，近年来出现了很多将电气石用于室内装修及其他建筑材料。有学者利用电气石粉体制成负离子整理剂，将其与红麻和低熔点聚酯混合均匀，熔融共混，制备汽车内饰材料。也有学者在建筑材料中添加电气石，如隔热板、砖等。

发现

电气石最早发现于斯里兰卡，当时被视为与钻石、红宝石一样珍贵的宝石。人们注意到这种宝石在受热时会带上电荷，这种现象称为热释电效应，故得名电气石。

化学组成

电气石是一种硼硅酸盐矿物，化学通式为 NaR3Al6[Si6O18][BO3]3(OH,F)4，英文名称TOURMALINE，是一种以含硼为特征的铝、铁、钠、镁、锂的环状结构硅酸盐矿物，摩氏硬度7-7.5，比重2.98-3.20。电气石的化学成分 SiO2 TiO2 CaOK2O LiO Al2O3 B2O3 MgO Na2O Fe2O3 FeO MnO P2O5 。即除硅氧骨干外，还有[BO3]络阴离子团。其中Na+可局部被K+和Ca2+代替，(OH)-可被F-代替，但没有Al3+代替Si4+现象。

物理性质

电气石有镁电气石、锂电气石、铬电气石、铁电气石等。

电气石的颜色随着成分不同而异：

富含Fe的电气石呈黑色，富含Li、Mn和Cs的电气石呈玫瑰色，亦呈淡蓝色，富含Mg的电气石常呈褐色和黄色，富含Cr的电气石呈深绿色。在自然界中，镁电气石、锂电气石非常稀少，一般用于珠宝工艺品，很难应用于工业中。具有工业应用价值的为铁电气石此外，电气石常具有色带现象，垂直c轴由中心往外形成水平色带，或c轴两端颜色不同。玻璃光泽。无解理；有时可有垂直L3的裂开。硬度7～7.5，相对密度3.03～3.25，随着成分中Fe，Mn含量的增加，相对密度亦随之增大。不仅具有压电性，并且还具有热释电性(因为其单向轴L3是极轴)。

成因及产状

电气石成分中富含挥发组分B及H2O，所以多与气成作用有关，多产于花岗伟晶岩及气成热液矿床中。一般黑色电气石形成于较高温度，绿色、粉红色者一般形成于较低温度。早期形成的电气石为长柱状，晚期者为短柱状。此外，变质矿床中亦有电气石产出。

电气石主要成分是以含硼为特征的镁、铝、铁、钠、锂环状结构的硅酸盐物质。

电气石种类

晶体电气石、纤维电气石、工艺品电气石（碧玺）、黑色电气石、粉红色电气石

另注

红色电气石亦称红碧玺、绿色电气石(亦称绿碧玺，它是浅绿、绿、深绿、蓝绿、黄绿或综绿色的锂电气石宝石。)、蓝色电气石(亦称蓝碧玺，它是纯蓝至深紫蓝或碧蓝色，以及浅蓝至浅绿蓝色的电气石宝石。纯蓝色电气石为稀有高档宝石。)、黄色电气石(亦称黄碧玺)、紫色电气石(亦称紫碧玺)、无色电气石(亦称无色碧)、黑色电气石(亦称黑碧玺)，以及多色电气石(亦称多色碧石、杂色碧玺)和电气石猫眼等。