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水晶的工业应用 摘要 水晶为宝石级的石英，主要成份是SiO2，为透明至半透明的结晶体。SiO2的晶体很复杂，在不同温度下存在三种结晶形态。常温至870℃是石英晶体的稳定区，SiO2属三方晶系，比重2.7,硬度7。熔点在1713℃以上，耐温性好，耐酸、碱性好，导热性差，化学性能稳定，一个完美结晶的水晶具压电性能。水晶可以用做首饰，但也有很广泛的其他用途，这是由其广泛的性质决定的。 关键词 水晶，石英，性质，宝石，其他用途 正文内容 一 水晶的性质 水晶一般为无色透明，也常见粉色、茶色、以及黄色等。水晶耐温性好，耐酸、碱性好，导热性差，化学性能稳定，而且水晶具良好的压电性能。到上世纪二十年代，科学家又发现石英有振荡现象。以下主要介绍其物理性能。 1.1水晶的热性能 水晶经不起高温热冲击，它遇高温升至573℃左右时会急剧地膨胀破裂转化成其它晶体变态。石英晶体加热到870℃在条件（含Fe、Ca等矿化剂时）成熟的情况下会转变成鳞石英，这一转变为慢变化，在高温下长时间才能形成。鳞石英属斜方晶系，比重2.3、硬度7，它们的每一个变化都伴随着一定的体积变化，鳞石英冷却时不会再转变成石英。当温度升高到1470℃时，石英和鳞石英都会转变为方石英，这一转变也是慢转变，必须有足够的时间。方石英高温时是等轴晶系，当它冷却到200℃左右，又会变态为低温型云石英，而且是急转变。当温度达到1470—1713℃时是方石英的稳定区域，方石英的低温型属正方晶系，方石英比重2.4，硬度6—7，方石英冷却时不会再转变成石英。这里有一个很重要的现象：石英的稳定温区为常温至870℃；鳞石英的稳定温区为870—1470℃；方石英的稳定温区为1470—1713℃，高于1713℃就熔化，有如冰化成水；石英变为鳞石英，或磷石英变为方石英，石英变为方石英，都是慢转变，要条件成熟才能转变，而且是不可逆的，即鳞石英和方石英不会再变成石英；假如石英在升温时没有变成鳞石英，假如石英、鳞石英在方石英稳定温区没有来得及转变成为方石英，当温度升到1713℃以上可以直接熔化后制成石英玻璃。方石英的理论熔点1713℃，不论石英、鳞石英、方石英哪一种，SiO2结晶升温到1713℃都会熔化后制成石英玻璃，但熔化后的熔液粘度很大。1713℃时熔液粘度是108Pas，其软硬程度相当于20℃时的沥青。所以实际工业生产石英玻璃熔融温度为1900—2000℃。 1.2 水晶的压电性能 天然水晶具有压电性，而且天然水晶平均每秒可以释放出八百万次的震荡，这之间蕴藏着强大且丰沛的能量。并且，天然水晶经过地球动辄千万年以上的粹炼，长期与大自然间共振及互动，其正向磁场隐藏着巨大且无限的能量波。对于长期暴露在负向磁场的我们，佩带天然水晶有助于将自身量频率转为更强大的正向磁场请且释放，进而影响到我们平常的生活、工作、交友或学业的表现。另外，水晶可以制成水晶工艺品和水晶内雕等。 1.3 水晶的震荡性能 石英有振荡现象，当水晶通电时，水晶会膨胀，截断电流时便收缩到原来大小；不断快速地重复供电、停电，水晶则不断的高速胀缩振荡，而振荡的频率却极为隐定。因为振荡频率高速而隐定，所以水晶便被制成芯片，是电器零件不可或缺的原材料。 二 水晶的功能 目前水晶已经被确定有五大功能：聚焦折射、储存数据、传递讯息、能源转换、能量扩大。 （1）聚焦折射 古时人类已发现水晶有聚焦功能，也可把光线折射，通过水晶这特点可造出凸透镜、凹透镜等。于雷射运用中，芯片和光速之合用，可使于读秒声中测出地球与月球间的距离，利用晶体的特性以可激发出高能量光束、强大、高度平行，精密者可运用于眼科手术，巨大者可运用在如「星战计划」中摧毁来袭的飞弹等等。 （2）储存数据 当有讯息通过水晶，这些信息会被水晶记下，计算机记亿体里的芯片正是有此功能。到了近代所制造出的光谱仪的镜片、棱镜等。压电下的水晶会带正、负不同电荷，这也是计算机二进制中的0与1，没错，这就是计算机的基础。一直发展至今，这种储存记忆的容量惊人，可以将大英百科全书全部的数据输入在比橡皮擦更小的体积内。 （3）传递讯息 很多电器中的信息传递也要靠芯片，因为水晶振荡的频率隐定，用来传递讯号误差很少。由于水晶芯片的振荡极精准，且极有规律，除了可用来作电子表的时间控制外，还可以执行电算机的精密计算，更可用来作计算机与计算机间巨大讯息的传输。 （4）能源转换 水晶可把不同的能源转换成其它能源，例如把电能转成光能、热能、声能、磁能，又可把这些能源转成电能。太阳能转成电能便需靠集热芯片。可将能源型态使之转换，比如太阳能集热芯片，可将光变电、电变磁等等。声、光、电、热、磁都是能源，能源不灭，只是转换至不同型态，而水晶是最佳媒人。 （5） 能量扩大 能源通过水晶能够增强而频率不变，例如用扩音器时，电流通过石英转换成声能后（能源转换），再增强声浪（能量扩大），而且不会有走音情况出现（频率不变）。可将同频率的电子讯号同频扩大，像收音机里的晶体会接收空气中的电波，并将以扩大再转换出来，就是人们耳朵听到的声波了。而这之间的倍数何止千万倍。 三 水晶的主要用途举例 1.工艺水晶 工艺品、珠宝饰品、水晶眼镜片等。纯净透明，无色或带色，允许有道芬或巴西双晶，节瘤，少量气态、固态包裹体，兰针和小绵，不许带裂隙，大绵。 2.熔炼水晶 生产特种（石英）玻璃及石英玻璃制品和人造水晶应用于电工、电子化学、冶金、机械制造、汽车、医药器皿和仪器工业等 要求在紫外光，可见光和红外光光谱范围内具有光性，理想的辐射透过性，对热冲击的稳定性，对气体的非渗透性以及腐蚀介质中的化学稳定性，良好的介电性等。 3.压电水晶 制造谐振器、滤波器，广泛用于自动武器，超音速飞机、导弹、核武器、电子显微镜、计时仪、电子计算机、人造地球卫星等科学技术的导航、遥控、遥测、电子电讯设备之中等 无缺陷的水晶单晶，具有压电性能。 4.光学水晶 生产可聚紫外线的透镜、测量偏振旋转方向的仪器摄谱仪、棱镜、补色器的石英楔、光谱仪、红外线分析窗口、石英折射计等。 5.石英坩埚用石英砂的制备方法 其特征在于，选取金属元素含量低、二氧化硅含量高的石英石作原料，对该原料进行清洗除杂处理、初级破碎、精选分级、高温处理、分拣除杂、二级破碎、三级粉碎、旋流分级筛选、磁选、酸洗、碱洗、超声波震动处理、二次酸洗、浮选、进行氯化处理、醇洗、烘烤和二次磁选等工艺处理，最后过425μm电动筛，得成品石英砂。用本发明方法所制成的石英坩埚用石英砂中杂质含量低，其中SiO2 ≥99.99％，杂质元素总含量≤12.37ppm。 6.石英砂加工工艺 石英砂加工工艺大体分为两种：一种是干法加工，工艺流程是原矿→一级破碎→二级破碎→粉碎→筛分→分装，流程的每个环节都产生大量粉尘；另一种是湿法加工，工艺流程是原矿→初级破碎→中级加水研磨（碾磨、球磨或棒磨）→烘干→筛分→分装。主要产尘环节为初级破碎、筛分、分装。 7.石英坩埚 用电弧法制的半透明石英坩埚是拉制大直径单晶硅，发展大规模集成电路必不可少的基础材料。目前坩埚生产涂层技术已被大多数厂家使用就是在普通石英砂溶制的坩埚表面涂上一层高纯度石英砂使其形成致密层，其致密层能阻止单晶硅高温拉制过程中硅与石英坩埚反应提高成晶率。 水晶除了以上的用途之外还可以用来做太阳能电池专用炉门，太阳能废液瓶，玻璃管，绝缘环等。可见水晶用途不仅局限于宝石之上，更大的用途体现在其工业用途上，因此可以得出水晶不仅是难得的宝石材料，而且还是很难得的工业材料。 本文来源：https://www.dywdw.cn/83acb686b9d528ea81c779ec.html
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2022-05-25
