矿物材料中的电功能材料

关于矿物材料中的电功能材料第1页，讲稿共30页，2023年5月2日，星期三作为材料家施行中数量最多、门类丰富的天然矿物具有多种多样的导电(绝缘)、介电、压电、热电性能,是鉴定和选别矿物和物理探矿(电法勘探、遥感)以及利用矿物制备功能材料的物理依据。在科学技术尤其是电子技术高速发展的今天,对电功能材料提出了更多的数量和更高的质量要求。背景第2页，讲稿共30页，2023年5月2日，星期三一、矿物的导电性材料导电率的大小由带电粒子浓度和迁移率决定。带电粒子可以是电子、空穴和各种离子。因此,材料导电率是上述各种粒子导电率的总和。天然矿物之间导电率相差勘大,可达1020(表1)。归结起来,是由于他们的化学成份、结构、键型的不同,形成过程中出溶、析晶、晶格畸变、缺陷、位错、类质同象置换和杂质矿物的混入等原因,导致带电粒子浓度和迁移率的差异而产生的。第3页，讲稿共30页，2023年5月2日，星期三第4页，讲稿共30页，2023年5月2日，星期三固体电子论认为,矿物导电性的本质在于各种矿物能带结构的差别和价电子填充情况的不同,禁带宽度决定了带电粒子位移的难易。硅酸盐矿物、硫化物矿物及金属矿物有不同的禁带宽度。一些矿物的禁带宽度(Eg)和带电粒子浓度(n)如表2所示。第5页，讲稿共30页，2023年5月2日，星期三矿物的电导率还与环境温度有关。对于金属矿物而言,温度增加使电子运动所受阻力增大,电导下降。对于硅酸盐和氧化物类矿物,温度升高,一方面使电子跃迁几率加大,载流子浓度变大;另一方面使离子振动加剧,载流子移动阻力增大,一般来说,随着温度升高,导电率增加,电阻率降低。环境湿度对具有较高电阻率的离子键和共价键矿物的导电率有十分明显的影响。矿物表面越粗糙,剩余键力越大,粒度越小,比表面积越大,都会使矿物吸湿性变大。影响因素第6页，讲稿共30页，2023年5月2日，星期三影响因素此外,矿物的导电性还和施加电场和频率有关。粉末状矿物还与其粒径和粒子形状有关。某些矿物在一定压力、一端加热和声音作用下,会发生电荷聚集(如压电石英、电气石、辰砂),进而使电导率发生急剧变化。第7页，讲稿共30页，2023年5月2日，星期三二、矿物导电性的应用天然矿物在无机电绝缘材料、导电材料和半导体材料上有着广泛的应用。由于天然矿物本身的复杂性和材料有一定的使用条件和技术要求,天然矿物作为功能材料原料时,应查明影响导电率的因素,有针对性地进行选矿提纯、表面处理、改性、复合等处理,才能满足使用各种条件下的技术要求。第8页，讲稿共30页，2023年5月2日，星期三2.1电绝缘材料在无线电电子技术和电气工程中,需要大量具有较高电缘性能的材料。如电机、电车、无线电发射塔等的绝缘支撑材料,家用电器中的电热管、电熨斗、电饭煲的绝缘填料。虽然其中一部分可以使用有机材料,但无机矿物材料,尤其是硅酸盐一氧化物具有耐高温、抗老化、抗酸碱和化学稳定性好的优点,仍是当今电绝缘材料的重要组成部分。第9页，讲稿共30页，2023年5月2日，星期三如白云母,具有很高的透明度、弹性、韧性、化学稳定性,并有优异耐高压、耐热、耐火性和较好的电绝缘性是制备电机、电子管和电容器的重要材料。又如滑石粉,在1000℃以内具有较好的电绝缘性,常用于变压器、电机匝间涂料的填料。云母矿白云母第10页，讲稿共30页，2023年5月2日，星期三作为电热管用的电绝缘填料。目前常用的是电熔氧化镁

,在常温下极易吸潮发生水合反应,生成氢氧化镁,而使电绝缘性能大为降低,并且价格较贵。经过多年的反复试验,以天然硅酸盐矿物为原料,经过选矿提纯、表面处理和改性,制备出复合硅酸盐矿物电绝缘填料。完全能在一定温度范围(<300℃)内代替电熔氧化镁,作为电绝缘材料使用。其抗潮性能优于电熔氧化镁,工艺性能好,成本低廉。电热管第11页，讲稿共30页，2023年5月2日，星期三以石英为原料制备的硅微粉由于其高的电绝缘性和相对于树脂较高的导热、耐热、低膨胀、高耐温、低应力等一系列优异性能是电工绝缘和大规模集成电路塑封料的首选填料。随着电力工业的发展和计算机大规模集成电路的广泛应用,尤其对作为塑封填料的硅微粉提出了更多的数量和更高质量要求,不仅粒度细(粒径小于1μm),纯度高(如铁含量小于2ppm),而且要求放射性元素(u、Th),含量低(小于0.1ppb),并且颗粒形状为球型(以增加其填充量和导热性)。要实现上述技术要求,首先应选择优质矿源,采用先进的无污染、超细磨、选矿浸除工艺和科学的球型颗粒制备方法。目前,我国普通硅微粉已有大量产品,但对于优质超大规模集成电路用硅微粉的生产,仍是空白。石英集成电路第12页，讲稿共30页，2023年5月2日，星期三2.2长效防腐导电剂所有电力设备、建筑物和无线电仪器上必须有良好的接地装置。传统的接地装置是在地下深处埋设金属材料(如铜),周围灌以活性炭和盐水等导电剂,以保持一定的湿度,确保有较小的接地电阻。这种装置存在着使用寿命短、导电性能差、不稳定、需要经常更换等缺点。第13页，讲稿共30页，2023年5月2日，星期三中国矿业大学等单位,经过多年不懈努力,以膨润土为基本原料,经过粉碎、选矿提纯、烘干后同某些试剂在高压釜内进行化学反应改性,再经脱水、烘干、粉碎,制得长效防腐导电剂。具有电阻率低、吸水性强、保水性好、粘附力强、性能稳定、延缓接地体腐蚀等优良特性。经使用证明,该导电剂在雷电和工频大电流作用下,性能不变。埋在导电剂中的接地体,历时7年,表面生成一种亮绿色薄膜,保护了接地体不受腐蚀。因此,可作为发电厂、变电所配电变压器,电器设备,输电线杆、塔、避雷针、建筑物防雷接地体,无线电台、电视台、雷达站、微波站接地以及电子设备、电子计算机房接地装置的导电剂。第14页，讲稿共30页，2023年5月2日，星期三2.3蒙脱石、黄铁矿在高能电池上的应用天然矿物的导电性为固体电解质材料的研究提供了丰富的资源。固体电解质材料是化学电池的必备材料。它要求电阻率为(10-3～10-5)Ψcm,具有较好的离子导电性或电子导电性。电子导电型电解质作为电池材料主要是阴极

;离子导电型固体电解质材料主要是阳极。第15页，讲稿共30页，2023年5月2日，星期三黄铁矿

(FeS2)是自然界常见的硫化矿物。其电阻率为(0.0023～1.5)Ψcm,是电子导电型固体电解质。黄铁矿（FeS2）因其浅黄铜色和明亮的金属光泽，常被误认为是黄金，故又称为“愚人金”。第16页，讲稿共30页，2023年5月2日，星期三蒙脱石是具有开放性层状结构的硅铝酸盐矿物,能传导一价、二价及高价离子,实现快离子传导,是较好的快离子导体。近年来,国内外电源专家先后对黄铁矿和蒙脱石进行选矿提纯、离子交换,制备出电极材料,用于LiS/FeS2高能蓄电池。具有比能量高、电流大、体积大、结构坚固、贮藏期久的优点,是航天、火箭和导弹的仪表工作电源。蒙脱石第17页，讲稿共30页，2023年5月2日，星期三三、矿物的介电性质电介质材料的重要性质是在外加电场(直流、交流、电磁波)作用下,其内弱联系电子位置发生变化,进而使质点(原子、分子、离子)正负电重心发生分离产生偶极子和界面形成束缚电荷。自然界的矿物介电特性变化很大。介电常数变化大的是两类矿物———硫化物和氧化物。在同一阳离子化合物中,硫化物矿物比氧化物矿物具有更高的介电常数。氧化矿物中,金红石和钙钛矿结构的矿物具有较高的介电常数。硅酸盐和含氧盐矿物中,除了几个矿物外,它们的介电常数和介电损耗都不大。第18页，讲稿共30页，2023年5月2日，星期三一些矿物介电常数的变化范围如表3所示第19页，讲稿共30页，2023年5月2日，星期三四、矿物介电性质的应用在现代通讯、航空、航天、环保等领域中需要大量具有各种性能的微波材料。如能对电磁波有较好吸收效果的吸液材料

,具有一定介电常数而介质损耗勘小的微波介质材料

,对电磁波完全“透明”的透波材料。第20页，讲稿共30页，2023年5月2日，星期三这类材料通常有二类产品。一类是陶瓷系列材料,它虽然能满足技术要求,但性脆易碎,不易加工或成品率低；另一类是塑料、橡胶、涂料类材料,这类复合材料的核心部分是具有不同微波性能的功能填料。第21页，讲稿共30页，2023年5月2日，星期三

常用的填料有铁氧体、磁性金属材料、多晶铁纤维、羰基铁、纳米材料、金红石、磷酸铝、磷酸铬等等。

这类填料均是用人工合成的方法制备的,不但价格较高,而且其中有些材料产品性能差而不稳定。随着科技的进步和工业的发展,对微波类材料提出了更多数量和更高的质量要求。人们对于加工复合型微波材料更加青睐。而天然矿物有宽广的介电常数和介质损耗变化范围

,为微波材料的填料提供了广泛的选择余地。第22页，讲稿共30页，2023年5月2日，星期三4.1微波吸收材料对微波吸收材料的基本技术要求是对一定频轨率范围内的电磁波吸收高效、宽带,材料质轻(密度小),(涂层或板材)较薄。这一切主要是通过吸收剂的功能来实现的。这就要求吸收剂对电磁波有低反射高吸收能力天然矿物中具有较好吸收性能的矿物是铁锰类化合物。长期以来人们对矿物用于电磁波吸收剂进行了一些研究。第23页，讲稿共30页，2023年5月2日，星期三4.2微波介质材料和微波吸收材料的技术要求相反,用于微波器件的介质材料的技术要求是介电常数高,介电损耗低,介电常数的温度系数小,密度低等,并要求成本低,施工工艺简便。第24页，讲稿共30页，2023年5月2日，星期三传统的复合介质用填料为人造金红石,其结晶度高、杂质含量低,介电常数高。但实际使用的产品,往往是介电常数变化范围大

(可达20%～30%),介电损耗偏大,参数不稳定,不能达到使用要求。合成的人造金红石第25页，讲稿共30页，2023年5月2日，星期三对某矿区的天然金红石进行了物质组成、选矿提纯和技术加工和电磁参数测定。

结果表明:该金红石在1M～10GHz频段具有较高的介电常数(ε′>100)和较低的介电损耗(tanδ<2×10-3),是制备微波介质材料的较好原料,经信息产业部有关科研单位制成介质垫片初步试用,效果良好,目前正在继续深入开发研究中。天然金红石（金红石渣）第26页，讲稿共30页，2023年5月2日，星期三虽然天然金红石杂质含量高,但是其介电性质优于人工金红石。这是因为:人造金红石是化工过程产物,用硫酸法或氯化法制备而得,产品中粉粒表面会有残留一些酸根离子并产生晶格缺陷,反应过程中会产生氧空位。如煅烧不充