类电气石结构新型热释电性材料的研究

Tourmalineis widely used in environmental protection, chemical industry, health and other areas because of its pyroelectric properties, infrared radiations and anion producing characteristics. However, the basic research onthe mechanism of pyroelectric properties and the key influential factors is absent up to now, which limits further development and application of tourmaline greatly.In this project, we plan tosynthesize novel pyroelectric materials with atypical natural tourmaline by composition designing. Guided by crystal chemistry and crystal physics, the correlation between the composition, structure, and its pyroelectric properties will be studied by using the modern measurement technology. Then, the basic structural unit, which determines the pyroelectric properties, and the influence of doping on its property can be further determined. This project could provide theory basis for unveiling the pyroelectric mechanism of natural tourmaline, and at the same time afford an important reference to achieve novel tourmaline-like materials with excellent pyroelectricity.

电气石因具有压电性、热释电性、红外辐射、释放负离子等特性，在环保、化工、保健等领域得到了较广泛的应用。但国内外有关电气石热释电性产生的机理和影响因素一直缺乏深入的基础性研究。本项目拟以天然电气石为基本结构，通过成分设计，进行人工合成类电气石热释电性材料的探索，并以晶体化学、晶体物理学等理论为指导，综合运用现代测试方法，深入研究成分、结构与其热释电性能之间的关系。在此基础上，找出决定热电性质的基本结构单元、及结构单元内、外掺杂对其性质的影响，为揭示天然电气石热释电性能的机理提供重要的理论依据，为获得优异热释电能的类电气石结构的新型材料提供重要参考。

电气石是一种具有热释电性、压电性、自发极化性及释放负离子等诸多特性的矿物材料，因此在环保、保健等领域具有良好的应用前景。但由于电气石的热释电性能的产生机理没有被人们深入探究，同时天然电气石存在类质替代现象和伴随共生物等缺点，使得电气石的应用受到了极大的制约，因此研究电气石热释电性的产生机理及电气石的人工合成具有十分重要的意义。. 本项目在前人的研究基础上，以天然电气石为研究对象，利用粉晶X射线衍射、TG-DTA、红外光谱测试及拉曼测试等手段，结合电气石的晶体结构特点，详细研究了电气石热释电性的产生机理。结果表明，电气石在不同温度下的热释电系数主要来源于[XO9],[YO6],[ZO6],[TO4],[BO3]多面体沿c轴固有电偶极矩的变化。另外，电气石单位晶胞内固有电偶极矩的变化主要受[SiO4]四面体和[BO3]多面体沿c轴方向的变形影响，偏振拉曼光谱和红外光谱的测试结果进一步支持了这些结论。同时，利用高温高压固态法在5~6 GPa、550~650℃下首次成功合成了镁电气石。X射线粉末衍射和电子探针分析数据表明，合成的样品为含有少量SiO2的镁电气石。与天然镁电气石相比，其热释电系数提高了一个数量级。. 在此基础上，分析了电气石的结构特点，选取了两种类电气石结构的材料，并利用高温固相法进行合成。对合成的材料与电气石进行热释电性能的对比，结果发现，四面体结构是类电气石结构材料产生热释电性的主要结构单元，并且含有四面体的类电气石结构材料的热释电性容易发生较大的变化，表明温度是通过造成结构单元的扭曲与形变来引起热释电性的变化。为了电气石功能材料的更好应用，采用共沉淀法制备了三种电气石/稀土(Ce、La、Pr)复合材料，利用X射线光电子能谱仪（XPS）测试了复合材料中存在的元素，结果表明稀土元素与电气石成功进行了复合。负离子测试结果显示，三种稀土元素复合均能改善提高电气石的负氧离子释放量，这与由稀土元素可电离空气形成空气负离子有关导致。其中，以稀土元素Ce复合性能改善最佳提升最明显，当复合的质量分数为8%时，每克复合材料可提高升240 c/cm3的负氧离子释放量。