电气石/Al2O3复合材料的制备及其红外辐射性能研究

论文摘要

电气石因其独特的极性结构而具有热电性、压电性、红外辐射等重要的性质,可广泛应用于环保及人体保健等领域。将微米电气石与纳米Al2O3以一定的工艺制备出电气石/Al2O3复合材料,可以增强电气石的红外辐射性能,对电气石的开发利用具有理论和实际意义。本文运用各种测试方法对河南卢氏粉色电气石的矿物学特征进行了测试,并研究了电气石的电学效应;以河南粉色电气石为主要原料,分别以化学沉淀和机械力化学法制备电气石/ Al2O3复合材料,讨论实验工艺的主要影响因素,得出最佳实验方案,并对复合微粒进行表征;研究各种条件下制备的纳米复合粉体的红外辐射性能,并探讨复合材料的红外辐射机理。本文的主要结论如下:河南卢氏粉色电气石为锂电气石。电气石的压电性主要与晶体结构Y位置上占据的离子半径d和所带电荷q有关,d和q越大,压电性越大;在常温下,晶体的热释电性与介电性成正比,且与电气石中含铁量呈负相关关系。不同种属及产地的热释电性大小顺序为:河南锂电气石>云南锂电气石>河北镁电气石。根据匹配吸收理论,电气石的辐射波长与人体的吸收波长（9.53-9.47μm）符合较好,具有对人体的保健功能;不同种属的电气石红外发射率顺序为:铁电气石>镁电气石>锂电气石。锂电气石的电荷最小,偶极矩最小,因而红外辐射率相对最小,电气石红外辐射率取决于材料在该波段偶极矩的变化程度及该波段红外振动强度。化学沉淀法制备电气石/ Al2O3复合粉体的实验方案为:Al（NO3）3溶液浓度为0.25mol/L,氨水滴定速度为10ml/min,溶液反应体系pH值为9;电气石/Al（OH）3前驱体的煅烧温度为980℃。X射线粉晶衍射及扫描电镜分析表明,复合材料中电气石及Al2O3均具有良好的晶体形态,其中Al2O3晶粒的平均直径为47.86nm,达到了纳米级,实现了微米电气石与纳米Al2O3的复合。化学沉淀法制备出的电气石/Al2O3复合粉体,当锂电气石与氧化铝以质量比3:1时,红外辐射率最大,为0.89,比复合前锂电气石的红外辐射率提高了0.03,达到了实验预期要求。机械力化学法制备电气石/ Al2O3复合粉体的实验方案为:研磨时间为1小时;研磨速度为950转/min;选用陶瓷小球作为研磨介质;X射线粉晶衍射及扫描电镜分析表明,复合材料中电气石及Al2O3均具有良好的晶体形态。机械力化学法制备出的电气石/Al2O3复合粉体,当锂电气石与氧化铝以质量比3:1时,红外辐射率最大,为0.88,比复合前锂电气石的红外辐射率提高了0.02。由于机械力化学法制备出的复合粉体中电气石与氧化铝之间结合力不如化学沉淀法强,因此红外辐射率相对较低。本项研究为国家自然科学基金“极性矿物电气石与半导体氧化物（ZnO等）复合微粒环境作用机理研究”资助项目。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 表目录
• 图目录
• 第一章 绪论
• 1.1 电气石研究现状
• 1.1.1 晶体结构与化学成分
• 1.1.2 性能及应用研究
• 1.1.2.1 电气石的热释电效应
• 1.1.2.2 电气石的红外辐射功能及应用
• 1.1.2.3 电气石的电磁屏蔽及释放负离子功能
• 1.2 纳米/微米复合技术研究现状
• 20₃粉体研究现状'>1.3 A1₂0₃粉体研究现状
• 20₃的性质'>1.3.1 α-A1₂0₃的性质
• 20₃纳米颗粒粉体的制备方法'>1.3.2 A1₂0₃纳米颗粒粉体的制备方法
• 1.3.2.1 固相法
• 1.3.2.2 液相法
• 1.4 红外辐射材料研究历史与现状
• 1.5 目前存在的问题
• 1.6 本文研究内容及方法
• 1.6.1 研究内容
• 1.6.2 技术路线与研究方法
• 1.6.2.1 河南卢氏锂电气石矿物学特征研究
• 1.6.2.2 河南卢氏锂电气石电学效应研究
• 20₃复合粉体实验'>1.6.2.3 化学沉淀法制备电气石/A1₂0₃复合粉体实验
• 20₃复合粉体实验'>1.6.2.4 机械力化学法制备电气石/A1₂0₃复合粉体实验
• 20₃复合粉体红外辐射研究'>1.6.2.5 电气石及电气石/A1₂0₃复合粉体红外辐射研究
• 第二章 河南卢氏锂电气石的矿物学特征
• 2.1 锂电气石的资源分布及其成因产状
• 2.2 测试及对比样品特征描述
• 2.2.1 测试样品特征
• 2.2.2 用于对比研究的其他矿区电气石
• 2.2.2.1 云南锂电气石
• 2.2.2.2 河北镁电气石
• 2.2.2.3 江西铁电气石
• 2.2.3 实验样品特征总结
• 2.3 X 射线粉晶衍射分析
• 2.4 电气石的化学成分分析
• 2.4.1 X 射线荧光光谱法测试主量元素
• 2.4.2 微量元素分析
• 2.4.3 电子探针分析
• 2.5 红外光谱分析
• 2.5.1 测试条件与方法
• 2.5.2 测试结果分析
• 2.6 差热-热重分析（DTA）
• 2.6.1 差热-热重分析的原理与方法
• 2.6.2 结果分析
• 2.6.2.1 差热分析
• 2.6.2.2 热重分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 电气石电学效应研究
• 3.1 电气石的导电性能
• 3.2 电气石的压电效应
• 3.2.1 压电效应定义
• 3.2.2 压电效应产生的条件
• 3.2.3 不同种属电气石压电性对比研究
• 3.2.3.1 压电常数的测试方法与条件
• 3.2.3.2 测试结果分析
• 3.3 电气石的介电性
• 3.3.1 实验设计依据及原理
• 3.3.2 介电性测试
• 3.3.3 测试结果分析
• 3.3.3.1 晶体方向对介电性的影响
• 3.3.3.2 电气石种属对介电性的影响
• 3.3.3.3 实验频率对介电性的影响
• 3.4 热释电效应
• 3.4.1 热释电效应产生的条件
• 3.4.2 电气石热释电效应与含铁量的关系
• 3.5 本章小结
• 20₃复合材料实验'>第四章 化学沉淀法制备电气石/A1₂0₃复合材料实验
• 4.1 纳米/微米复合机理
• 4.2 准备工作
• 4.2.1 微米级电气石粉体的制备
• 4.2.1.1 超细粉碎工艺流程及粒度分布
• 4.2.1.3 超细粉体电气石微粒SEM 分析
• 20₃制备工艺及影响因素'>4.2.2 纳米α-A1₂0₃制备工艺及影响因素
• 20₃制备原料'>4.2.2.1 纳米A1₂0₃制备原料
• 20₃粉体工艺的影响因素'>4.2.2.2 制备纳米A1₂0₃粉体工艺的影响因素
• 20₃复合粉体实验及表征'>4.3 化学沉淀法制备电气石/A1₂0₃复合粉体实验及表征
• 20₃复合粉体制备工艺'>4.3.1 电气石/A1₂0₃复合粉体制备工艺
• 4.3.2 实验影响因素研究
• 4.3.2.1 反应体系中pH 值的确定
• 4.3.2.2 前驱体煅烧温度的确定
• 4.3.3 实验方案
• 4.3.4 复合微粒的表征
• 4.3.4.1 X 射线衍射（XRD）分析
• 4.3.4.2 扫描电镜（SEM）分析
• 4.3.4.3 FTIR 分析
• 4.4 本章小结
• 20₃复合材料实验研究'>第五章 机械力化学法制备电气石/A1₂0₃复合材料实验研究
• 20₃复合粒子设计原理'>5.1 机械力化学法制备电气石/A1₂0₃复合粒子设计原理
• 5.2 纳米复合粒子的制备方法及影响因素
• 20₃复合材料的制备方法'>5.2.1 电气石/A1₂0₃复合材料的制备方法
• 5.2.2 实验影响因素研究
• 5.2.2.1 研磨时间对电气石粒度的影响
• 5.2.2.2 研磨速度对复合粒子制备的影响
• 5.2.2.3 研磨介质球对研磨效果的影响
• 5.2.3 优化实验方案
• 5.3 复合微粒的表征
• 5.3.1 X 射线衍射分析（XRD）
• 5.3.2 扫描电镜分析（SEM）
• 5.3.3 红外光谱分析（FTIR）
• 5.4 本章小结
• 第六章 电气石及其复合材料远红外辐射性能研究
• 6.1 红外辐射理论基础
• 6.1.1 红外辐射的基本理论
• 6.1.1.1 基尔霍夫定律
• 6.1.1.2 斯蒂芬—波尔兹曼定律
• 6.1.1.3 维恩位移定律
• 6.1.2 红外辐射产生的条件
• 6.1.3 影响红外辐射材料发射率的因素
• 6.2 电气石的远红外发射率实验
• 6.2.1 红外辐射率测试方法
• 6.2.2 不同种属电气石的红外发射率测试
• 20₃复合材料的远红外发射率实验'>6.3 电气石/A1₂0₃复合材料的远红外发射率实验
• 6.3.1 化学沉淀法制备复合材料的红外辐射率实验
• 6.3.1.1 不同种属、相同比例制备出的复合粉体的发射率
• 6.3.1.2 同种电气石、不同比例的复合粉体的发射率
• 20₃复合粉体的红外发射率实验'>6.3.2 机械力化学法制备电气石/A1₂0₃复合粉体的红外发射率实验
• 6.4 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附图
• 附表