PPT模板下載 礦物材料中的 電功能材料 作為材料家施行中數量最多 門類豐富的天然礦物具有多種多樣的導電 絕緣 介電 壓電 熱電性能 是鑒定和選別礦物和物理探礦 電法勘探 遙感 以及利用礦物制備功能材料的物理依據 在科學技術尤其是電子技術高速發展的今天 對電功能材料提出了更多的數量和更高的質量要求 背景 一 礦物的導電性 材料導電率的大小由帶電粒子濃度和遷移率決定 帶電粒子可以是電子 空穴和各種離子 因此 材料導電率是上述各種粒子導電率的總和 天然礦物之間導電率相差勘大 可達1020 表1 歸結起來 是由于他們的化學成份 結構 鍵型的不同 形成過程中出溶 析晶 晶格畸變 缺陷 位錯 類質同象置換和雜質礦物的混入等原因 導致帶電粒子濃度和遷移率的差異而產生的 固體電子論認為 礦物導電性的本質在于各種礦物能帶結構的差別和價電子填充情況的不同 禁帶寬度決定了帶電粒子位移的難易 硅酸鹽礦物 硫化物礦物及金屬礦物有不同的禁帶寬度 一些礦物的禁帶寬度 Eg 和帶電粒子濃度 n 如表2所示 礦物的電導率還與環境溫度有關 對于金屬礦物而言 溫度增加使電子運動所受阻力增大 電導下降 對于硅酸鹽和氧化物類礦物 溫度升高 一方面使電子躍遷幾率加大 載流子濃度變大 另一方面使離子振動加劇 載流子移動阻力增大 一般來說 隨著溫度升高 導電率增加 電阻率降低 環境濕度對具有較高電阻率的離子鍵和共價鍵礦物的導電率有十分明顯的影響 礦物表面越粗糙 剩余鍵力越大 粒度越小 比表面積越大 都會使礦物吸濕性變大 影響因素 影響因素 此外 礦物的導電性還和施加電場和頻率有關 粉末狀礦物還與其粒徑和粒子形狀有關 某些礦物在一定壓力 一端加熱和聲音作用下 會發生電荷聚集 如壓電石英 電氣石 辰砂 進而使電導率發生急劇變化 二 礦物導電性的應用 天然礦物在無機電絕緣材料 導電材料和半導體材料上有著廣泛的應用 由于天然礦物本身的復雜性和材料有一定的使用條件和技術要求 天然礦物作為功能材料原料時 應查明影響導電率的因素 有針對性地進行選礦提純 表面處理 改性 復合等處理 才能滿足使用各種條件下的技術要求 2 1電絕緣材料 在無線電電子技術和電氣工程中 需要大量具有較高電緣性能的材料 如電機 電車 無線電發射塔等的絕緣支撐材料 家用電器中的電熱管 電熨斗 電飯煲的絕緣填料 雖然其中一部分可以使用有機材料 但無機礦物材料 尤其是硅酸鹽一氧化物具有耐高溫 抗老化 抗酸堿和化學穩定性好的優點 仍是當今電絕緣材料的重要組成部分 如白云母 具有很高的透明度 彈性 韌性 化學穩定性 并有優異耐高壓 耐熱 耐火性和較好的電絕緣性是制備電機 電子管和電容器的重要材料 又如滑石粉 在1000 以內具有較好的電絕緣性 常用于變壓器 電機匝間涂料的填料 云母礦 白云母 作為電熱管用的電絕緣填料 目前常用的是電熔氧化鎂 在常溫下極易吸潮發生水合反應 生成氫氧化鎂 而使電絕緣性能大為降低 并且價格較貴 經過多年的反復試驗 以天然硅酸鹽礦物為原料 經過選礦提純 表面處理和改性 制備出復合硅酸鹽礦物電絕緣填料 完全能在一定溫度范圍 300 內代替電熔氧化鎂 作為電絕緣材料使用 其抗潮性能優于電熔氧化鎂 工藝性能好 成本低廉 電熱管 以石英為原料制備的硅微粉由于其高的電絕緣性和相對于樹脂較高的導熱 耐熱 低膨脹 高耐溫 低應力等一系列優異性能是電工絕緣和大規模集成電路塑封料的首選填料 隨著電力工業的發展和計算機大規模集成電路的廣泛應用 尤其對作為塑封填料的硅微粉提出了更多的數量和更高質量要求 不僅粒度細 粒徑小于1 m 純度高 如鐵含量小于2ppm 而且要求放射性元素 u Th 含量低 小于0 1ppb 并且顆粒形狀為球型 以增加其填充量和導熱性 要實現上述技術要求 首先應選擇優質礦源 采用先進的無污染 超細磨 選礦浸除工藝和科學的球型顆粒制備方法 目前 我國普通硅微粉已有大量產品 但對于優質超大規模集成電路用硅微粉的生產 仍是空白 石英 集成電路 2 2長效防腐導電劑 所有電力設備 建筑物和無線電儀器上必須有良好的接地裝置 傳統的接地裝置是在地下深處埋設金屬材料 如銅 周圍灌以活性炭和鹽水等導電劑 以保持一定的濕度 確保有較小的接地電阻 這種裝置存在著使用壽命短 導電性能差 不穩定 需要經常更換等缺點 中國礦業大學等單位 經過多年不懈努力 以膨潤土為基本原料 經過粉碎 選礦提純 烘干后同某些試劑在高壓釜內進行化學反應改性 再經脫水 烘干 粉碎 制得長效防腐導電劑 具有電阻率低 吸水性強 保水性好 粘附力強 性能穩定 延緩接地體腐蝕等優良特性 經使用證明 該導電劑在雷電和工頻大電流作用下 性能不變 埋在導電劑中的接地體 歷時7年 表面生成一種亮綠色薄膜 保護了接地體不受腐蝕 因此 可作為發電廠 變電所配電變壓器 電器設備 輸電線桿 塔 避雷針 建筑物防雷接地體 無線電臺 電視臺 雷達站 微波站接地以及電子設備 電子計算機房接地裝置的導電劑 2 3蒙脫石 黃鐵礦在高能電池上的應用 天然礦物的導電性為固體電解質材料的研究提供了豐富的資源 固體電解質材料是化學電池的必備材料 它要求電阻率為 10 3 10 5 cm 具有較好的離子導電性或電子導電性 電子導電型電解質作為電池材料主要是陰極 離子導電型固體電解質材料主要是陽極 黃鐵礦 FeS2 是自然界常見的硫化礦物 其電阻率為 0 0023 1 5 cm 是電子導電型固體電解質 黃鐵礦 FeS2 因其淺黃銅色和明亮的金屬光澤 常被誤認為是黃金 故又稱為 愚人金 蒙脫石是具有開放性層狀結構的硅鋁酸鹽礦物 能傳導一價 二價及高價離子 實現快離子傳導 是較好的快離子導體 近年來 國內外電源專家先后對黃鐵礦和蒙脫石進行選礦提純 離子交換 制備出電極材料 用于LiS FeS2高能蓄電池 具有比能量高 電流大 體積大 結構堅固 貯藏期久的優點 是航天 火箭和導彈的儀表工作電源 蒙脫石 三 礦物的介電性質 電介質材料的重要性質是在外加電場 直流 交流 電磁波 作用下 其內弱聯系電子位置發生變化 進而使質點 原子 分子 離子 正負電重心發生分離產生偶極子和界面形成束縛電荷 自然界的礦物介電特性變化很大 介電常數變化大的是兩類礦物 硫化物和氧化物 在同一陽離子化合物中 硫化物礦物比氧化物礦物具有更高的介電常數 氧化礦物中 金紅石和鈣鈦礦結構的礦物具有較高的介電常數 硅酸鹽和含氧鹽礦物中 除了幾個礦物外 它們的介電常數和介電損耗都不大 一些礦物介電常數的變化范圍如表3所示 四 礦物介電性質的應用 在現代通訊 航空 航天 環保等領域中需要大量具有各種性能的微波材料 如能對電磁波有較好吸收效果的吸液材料 具有一定介電常數而介質損耗勘小的微波介質材料 對電磁波完全 透明 的透波材料 這類材料通常有二類產品 一類是陶瓷系列材料 它雖然能滿足技術要求 但性脆易碎 不易加工或成品率低 另一類是塑料 橡膠 涂料類材料 這類復合材料的核心部分是具有不同微波性能的功能填料 常用的填料有鐵氧體 磁性金屬材料 多晶鐵纖維 羰基鐵 納米材料 金紅石 磷酸鋁 磷酸鉻等等 這類填料均是用人工合成的方法制備的 不但價格較高 而且其中有些材料產品性能差而不穩定 隨著科技的進步和工業的發展 對微波類材料提出了更多數量和更高的質量要求 人們對于加工復合型微波材料更加青睞 而天然礦物有寬廣的介電常數和介質損耗變化范圍 為微波材料的填料提供了廣泛的選擇余地 4 1微波吸收材料 對微波吸收材料的基本技術要求是對一定頻軌率范圍內的電磁波吸收高效 寬帶 材料質輕 密度小 涂層或板材 較薄 這一切主要是通過吸收劑的功能來實現的 這就要求吸收劑對電磁波有低反射高吸收能力 天然礦物中具有較好吸收性能的礦物是鐵錳類化合物 長期以來人們對礦物用于電磁波吸收劑進行了一些研究 4 2微波介質材料 和微波吸收材料的技術要求相反 用于微波器件的介質材料的技術要求是介電常數高 介電損耗低 介電常數的溫度系數小 密度低等 并要求成本低 施工工藝簡便 傳統的復合介質用填料為人造金紅石 其結晶度高 雜質含量低 介電常數高 但實際使用的產品 往往是介電常數變化范圍大 可達20 30 介電損耗偏大 參數不穩定 不能達到使用要求 合成的人造金紅石 對某礦區的天然金紅石進行了物質組成 選礦提純和技術加工和電磁參數測定 結果表明 該金紅石在1M 10GHz頻段具有較高的介電常數 100 和較低的介電損耗 tan 2 10 3 是制備微波介質材料的較好原料 經信息產業部有關科研單位制成介質墊片初步試用 效果良好 目前正在繼續深入開發研究中 天然金紅石 金紅石渣 雖然天然金紅石雜質含量高 但是其介電性質優于人工金紅石 這是因為 人造金紅石是化工過程產物 用硫酸法或氯化法制備而得 產品中粉粒表面會有殘留一些酸根離子并產生晶格缺陷 反應過程中會產生氧空位 如煅燒不充分會殘留一些未經轉化的銳鈦礦相 因此介電常數和介質損耗變化大 而天然金紅石是高溫高壓的產物 盡管引入了一些雜質離子 對其內鈦 氧離子進行異價類質同相置換 造成晶格缺陷 影響其介電常數和介電損耗的同時 其中的三價 五價離子可以增強金紅石的抗還原性 減少氧空位的產生 從而使天然金紅石盡管雜質含量高 而與某些人工金紅石相比介電常數高 介質損耗低 此外 國內外學者對黑電氣石粉末的研究表明 這類礦物細磨后在表面會形成強度為108V m的靜電場 在電磁屏蔽環境保護方面有著廣闊的應用前景 電氣石粉末 綜上所述 礦物的電學性能在材料科學上有著廣泛的應用前景 但是天然礦物形成的環境和條件比較復雜 致使同一種礦物在不同產地 在同一