陳小平 王玉臣

（內(nèi)蒙古華宸再生資源科技有限公司，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 013350）

烏蘭茶晶名稱是以礦床坐落于內(nèi)蒙古烏蘭察布市化德縣境內(nèi)，礦物主體有斜長石、微斜長石透明結(jié)晶體茶色水晶片狀黑云母，以地域名稱和礦物中的茶色水晶相結(jié)合，因此取名為烏蘭茶晶石。

目前為止，我國的花崗巖種類中還沒有一個(gè)能用于高檔精品日用瓷、衛(wèi)生瓷、建筑瓷、土壤調(diào)理礦肥。由于該礦富集了稀土元素，稀有輕金屬元素，硒元素等多種用途的礦床。經(jīng)廣東省科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所，2020年6月8日國內(nèi)查新，國際查新一百年尚未有“烏蘭茶晶石”新材料的有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。

據(jù)我國有關(guān)資料報(bào)導(dǎo)，中國已發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)173種，已探明有一定儲(chǔ)量的礦產(chǎn)159種，其中非金屬礦產(chǎn)91種。

21世紀(jì)20年代，也是我國高新技術(shù)發(fā)展的年代，在偉晶花崗巖家族中，烏蘭茶晶石元素成分組合，不僅有常規(guī)Si、Al、Fe、Ca、Mg、K、Na、Ti元素，而且富含15種微量稀土元素、稀有輕金屬元素，以及其他微量元素，共計(jì)六十余種，推動(dòng)我國的非金屬礦材料學(xué)科應(yīng)用。

1 烏蘭茶晶石礦成因及特征

烏蘭茶晶石礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市化德縣長順鎮(zhèn)境內(nèi)，其地理坐標(biāo)為（2000 國家大地坐標(biāo)系）東經(jīng)：113°56′ 45″ -113°57′ 23″，北緯：41°52′ 36″ -41°52′ 56″。

1.1 烏蘭茶晶石礦區(qū)地質(zhì)背景及成礦分析

烏蘭茶晶石巖漿類型有3種：1）侵入巖。區(qū)內(nèi)侵入巖比較發(fā)育，成巖時(shí)代為二疊紀(jì)、三疊紀(jì)、白堊紀(jì)，以二疊紀(jì)、三疊紀(jì)巖體分布最廣泛。巖石類型多樣復(fù)雜，有中性巖、酸性巖，以酸性巖類為主。2）脈巖。區(qū)域內(nèi)脈巖鉀發(fā)育，從基性巖、中性到酸性均有出露，以酸性脈巖最發(fā)育。區(qū)域性脈巖分布方向受區(qū)域性構(gòu)造裂隙控制，其方向以北東、北西向?yàn)橹?，少?shù)呈近東西向或南北向；以花崗巖脈為主和少量淺成侵入巖脈成份有關(guān)，分布上不僅局限于深成巖體，時(shí)間上稍晚于主巖漿期。3）火山巖。區(qū)域內(nèi)火山巖不太發(fā)育，分屬于下二疊紀(jì)額里圖組、上侏羅統(tǒng)滿克頭鄂博組，區(qū)域內(nèi)少量出露下二疊紀(jì)額里圖組。呈北東向帶狀分布。

1.2 烏蘭茶晶石成礦種類條件分析

烏蘭茶晶石成礦種類條件如下：1）區(qū)域?qū)儆谌A北地臺(tái)北緣金、銀、銅、鉛、鋅、鉑、鉬、硼、石墨、滑石成礦帶。2）白云鄂博-寶昌元古代燕山期金、銅、鐵、稀土、鎢、銅、鎳、鉑、螢石成礦帶。3）老楊壕-白頭山洼鐵，金，鎢，銅，鎳成礦帶與三合明-伊胡賽鐵，金，鎢成礦帶交匯處。

區(qū)域出露的礦產(chǎn)種類較多，其中金屬礦有鐵、銅、鉛、鋅、金、鎢等，非金屬礦：水晶、螢石、硅藻土、白云母、石灰?guī)r、硅石等。

1.3 烏蘭茶晶石地質(zhì)成礦特征

烏蘭茶晶石地質(zhì)成礦特征如下：1）地層。礦區(qū)內(nèi)地層較為簡單，僅在礦區(qū)南北低谷出露第四系沖洪積砂礫層。2）構(gòu)造。礦區(qū)總體地勢(shì)起伏不大，中高南北低，核心區(qū)外圍只有三條 F20、F21、F22 不同方向的斷裂帶，是富集多元素成礦通道。3）侵入巖。區(qū)內(nèi)少量第四紀(jì)外，均為三疊紀(jì)肉紅色粗粒似斑晶（茶色水晶體和斜長石、微斜長石）磷狀黑云母所形成。

1.4 烏蘭茶晶石礦形成與有益元素成份富集綱要

該礦床屬燕山早期偉晶型花崗巖礦床，礦床的成礦時(shí)巖漿作用過程中，由于揮發(fā)性的大量集中，在該組分作用下，使巖漿流行性增大，并具有強(qiáng)大內(nèi)應(yīng)力的物理化學(xué)系統(tǒng)；在地質(zhì)構(gòu)造條件下，形成礦物結(jié)晶粗大的斜長石、微斜長石、石英晶體礦物；礦床巖漿期與巖漿期后礦床中間的過渡產(chǎn)物，富集了稀土元素、稀有輕金屬氧化物，這些微量稀土元素、稀土輕金屬氧化物的產(chǎn)生；由于氣體滲入圍巖，與溶巖液發(fā)生分餾作用，溶液成份則發(fā)生改變，與先生成的礦物發(fā)生交替作用，這時(shí)云母、鉀鈉微斜長石、非晶體則由封閉系統(tǒng)改變?yōu)殚_張系統(tǒng)，在交替礦物階段形成的稀土元素、稀有輕金屬氧化物以及其他元素礦物進(jìn)入氣態(tài)溶液開張系統(tǒng)內(nèi)，國內(nèi)其他地區(qū)尚未發(fā)現(xiàn)有此種礦床的生成條件。

2 烏蘭茶晶石礦礦物理化分析

2.1 烏蘭茶晶石原礦掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope SEM）顯微分析和 X射線衍射（X-ray diffraction XRD）分析

根據(jù)SEM分析和 XRD分析，結(jié)合能量色散光譜儀（Energy Dispersive Spectrometer EDS）元素分析，判定主體礦物由石英、斜長石、微斜長石、鉀長石、云母、非晶態(tài)、少量硬水鋁石和變質(zhì)高嶺巖等礦物組成，與探礦階段我們的初步分析基本吻合，如圖1所示。

圖1 花崗巖的SEM分析

2.2 烏蘭茶晶石原礦理化指標(biāo)分析

原礦常規(guī)八大元素全分析，見表1；原礦十五種稀土元素分析，見表2；原礦植物營養(yǎng)元素分析，見表3；原礦其他微量元素，見表4；原礦重金屬元素分析，見表5；原礦放射性內(nèi)外照射指數(shù)分析，見表6。

表1 原礦常規(guī)八大元素全分析（單位：%）

表2 原礦15種稀土元素分析（單位：mg/kg）

表3 原礦植物營養(yǎng)元素分析（單位：mg/kg ）

表4 原礦其他微量元素（單位：mg/kg ）

表5 原礦重金屬元素分析

表6 原礦放射性內(nèi)外照射指數(shù)分析

由上述化學(xué)成份分析可見，烏蘭茶晶石總體元素已知近60余種，目前為止，還未見任何報(bào)道偉晶型花崗巖有如此豐富的元素所存在，所以在今后的研發(fā)過程中應(yīng)采用不同的科技手段來保護(hù)礦體中最具有價(jià)值的元素能夠充分利用。

烏蘭茶晶石在骨瓷中的應(yīng)用、抗菌效果：金黃色葡萄球菌≥90%，大腸埃希氏菌≥90%。

烏蘭茶晶石在長石質(zhì)瓷中的應(yīng)用、抗菌效果：金黃色葡萄球菌≥96%，大腸埃希氏菌≥95%。

烏蘭茶晶石在建筑瓷中的應(yīng)用、抗菌效果：金黃色葡萄球菌≥99%，大腸埃希氏菌≥99.99%。

烏蘭茶晶石在衛(wèi)生瓷中的應(yīng)用、抗菌效果：金黃色葡萄球菌≥92%，大腸埃希氏菌≥99.1%。

3 烏蘭茶晶石礦穩(wěn)定性

原礦烏蘭茶晶石的穩(wěn)定性直接關(guān)系到深加工后烏蘭茶晶石的穩(wěn)定性，因此我們?cè)谇捌谔降V的基礎(chǔ)上又重新做了150 m的鉆探分析。黑云母鉀長石花崗巖，孔深39.10m～89.62m，采取率為100%，巖石呈肉紅色，粗粒花崗巖結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要礦物成分由石英、鉀長石、斜長石、黑云母等組成，黑云母呈鱗片狀，片徑0.3cm左右，含量約5%，鉀長石肉紅色，板狀或粒狀，粒徑1cm～3cm，含量約45%，斜長石呈灰白色板狀，直徑0.5cm～1.5cm，含量約25%；石英，半透明呈不規(guī)則粒狀分布于長石之間，含量約25%。該層在31.6m處，見有長0.4m的中細(xì)粒黑云母花崗巖，中細(xì)?；◢弾r結(jié)構(gòu)，巖石呈灰白色，較為完整。

黑云母鉀長石花崗巖，孔深150.4m，采取率為98.10%，巖石呈肉紅色，粗?；◢弾r結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要礦物成分由石英、鉀長石、斜長石、黑云母等組成，黑云母呈鱗片狀，片徑0.3cm左右，含量約5%，鉀長石肉紅色，板狀或粒狀，粒徑1cm～3cm，含量約45%：斜長石呈灰白色板狀，直徑0.5cm～1.5cm，含量約25%；石英，半透明呈不規(guī)則粒狀分布于長石之間，含量約25%。

4 烏蘭茶晶石礦儲(chǔ)量評(píng)估

烏蘭茶晶石礦分布16.8km2，經(jīng)地質(zhì)部門在16.8km2范圍內(nèi)分段鉆探取樣深度150m，150m以下未作鉆探取樣，150m×16.8km=25億m，密度為2.677t/m3，此礦儲(chǔ)量為67億t的一個(gè)獨(dú)立品質(zhì)穩(wěn)定的超大型礦床。

5 烏蘭茶晶石礦現(xiàn)階段研究成果

經(jīng)過專家組評(píng)審結(jié)果，這一新材料用于陶瓷工業(yè)，整體達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

5.1 強(qiáng)度提升的分析結(jié)果

在該項(xiàng)目實(shí)施過程中，首先發(fā)現(xiàn)的是烏蘭茶晶石可顯著提高陶瓷材料的強(qiáng)度，對(duì)日用瓷而言，強(qiáng)度注重于抗沖擊。根據(jù)測試結(jié)果，中心部位抗沖擊強(qiáng)度在25%比例時(shí)提高了一倍以上，邊緣抗沖擊強(qiáng)度提高了兩倍以上。對(duì)磚類，抗折強(qiáng)度是關(guān)注的重點(diǎn)，提高了 10%以上。筆者認(rèn)為這是由于烏蘭茶晶石中含有的多種類稀土微量元素所致，尤其是 LaO，SmO，YO，是優(yōu)良的表面活性物質(zhì)，可善材料中多組分的潤濕性，降低燒結(jié)點(diǎn)，可促進(jìn) AlO和 SiO之間的反應(yīng)，形成低熔點(diǎn)液相，可通過顆粒之間的毛細(xì)管作用，促進(jìn)顆粒間的物質(zhì)向孔隙填充，使材料孔隙率降低，致密度提高。在該項(xiàng)目中多種產(chǎn)品表現(xiàn)出吸水率極低，驗(yàn)證了此分析。同時(shí)由于這些微量的稀土氧化物離子半徑相對(duì)我們研究的陶瓷材料而言要大得多，除一小部分參與固熔外，絕大部分主要存在于晶相與晶相、玻璃與晶相的相界上，這些相界上大的離子像是在玻璃網(wǎng)絡(luò)上釘上了一個(gè)個(gè)釘子。一方面阻礙了因晶體的異常長大而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不均勻，另一方面使晶界上非晶態(tài)物質(zhì)向晶體的遷移、結(jié)晶受到限制，降低了晶界的遷移速率。還有一部分稀土氧化物熔入玻璃相中，使玻璃強(qiáng)度得到提高，因此提高了材料的整體力學(xué)性能。針對(duì)所研制的陶瓷材料進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)分析，見表7和表8。

表7 晶相（區(qū)域 1）EDS 元素分析結(jié)果

表8 非晶相（區(qū)域 2）EDS 元素分析結(jié)果

根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)分析，可以得出使用烏蘭茶晶石為主要原料的陶瓷材料之所以能在強(qiáng)度方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，同時(shí)非晶態(tài)玻璃相比例占比很高的情況下還能保持相對(duì)較高的抗高溫蠕變性，是因?yàn)楦吖璨Ａc晶相特殊的微觀結(jié)構(gòu)所致，可簡單概括為晶界增強(qiáng)、玻璃增強(qiáng)增韌協(xié)同效應(yīng)的結(jié)果。

5.2 抗菌性、遠(yuǎn)紅外、負(fù)離子機(jī)理形成

該項(xiàng)目所研制的所有產(chǎn)品不需要添加任何抗菌劑。在坯、釉成分中常規(guī)化學(xué)分析、X 熒光光譜分析檢測也不存在Ag 離子，因此，該項(xiàng)目不屬于第一種類型的接觸參與反應(yīng)式抗菌機(jī)理，但由于烏蘭茶晶石中種類豐富的稀土元素的存在，以及陶瓷坯釉中氧化鎂、氧化鋅、氧化鈦、氧化鈣、氧化鋯、氧化鐵以及一些原子量相對(duì)較大的微量氧化物的存在，在稀土元素的激發(fā)下，表面能級(jí)會(huì)提高，也可產(chǎn)生第二類抗菌劑相同的作用和機(jī)理。由于所含稀土元素種類繁多，加上這些元素特殊的電子層結(jié)構(gòu)，進(jìn)入硅鋁酸鹽結(jié)構(gòu)中，軌道間的雜化、相互之間電負(fù)性的糾纏、相互激活作用等協(xié)同效應(yīng)下，使材料在光、電方面表現(xiàn)出一定的特殊性，這種復(fù)雜的系統(tǒng)作用會(huì)在表面反映出來，如產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外、表面自由基增多、負(fù)離子產(chǎn)生等。筆者認(rèn)為這是主要的抗菌機(jī)理。

5.3 變色功能的表現(xiàn)機(jī)理

烏蘭茶晶石原料中含有的釔和鑭系中除钷之外所有的元素，這些稀土元素原子結(jié)構(gòu)相似，離子半徑相近，都處于第六周期（釔除外），原子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但共同的特點(diǎn)是最外層都是S2結(jié)構(gòu)，這決定了所有稀土元素都是活潑金屬。當(dāng)稀土參與到陶瓷材料的合成（燒成）過程中，會(huì)與硅鋁酸鹽發(fā)生不同的反應(yīng)，可以存在于陶瓷材料的晶相中、晶界上，也可以熔入非晶態(tài)中，這個(gè)過程稀土元素除有不同價(jià)態(tài)外，外圍的電子軌道也會(huì)發(fā)生非常復(fù)雜的雜化，形成不同的能級(jí)，當(dāng)外界可見光照射在材料上時(shí)，稀土原子中的電子可以由基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷，不同的激發(fā)態(tài)選擇性吸收不同能量的光子，所以不同頻率的光照射時(shí)會(huì)表現(xiàn)出不同的顏色，就形成了變色瓷現(xiàn)象。

5.4 產(chǎn)品會(huì)產(chǎn)生易潔效果的原因

產(chǎn)品會(huì)產(chǎn)生易潔效果的原因如下：1）土壤調(diào)理改良。在我國大部分地區(qū)的土壤，由于施用大量的化肥、農(nóng)藥以及工業(yè)污染所導(dǎo)致的原因，使其土壤板結(jié)酸化，重金屬污染嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)是定國之本，土地是農(nóng)業(yè)之本，土壤的污染將會(huì)阻礙農(nóng)業(yè)長期可持續(xù)發(fā)展帶來難以估量的影響。而烏蘭茶晶石B料是一種天然的礦物類土壤調(diào)理劑、改良劑。烏蘭茶晶石的B料是在生產(chǎn)用于陶瓷原料A料的過程所產(chǎn)生的B料產(chǎn)品，B料產(chǎn)品中大量的富集了植物所需的大量、中量、微量有效元素，和15種微量稀土元素，稀有輕金屬元素、硒元素。烏蘭茶晶石B料經(jīng)過超細(xì)研磨至600目以細(xì)時(shí)，礦體中所有元素就會(huì)達(dá)到充分暴露，這些有益元素就會(huì)達(dá)到釋放的效果，由于物料中有銳化、降解、遷移、重金屬的某些元素的存在，我們?cè)谵r(nóng)田鎘超標(biāo)重災(zāi)區(qū)作了示范推廣施用，收到了良好的效果。2）烏蘭茶晶石C料。按烏蘭茶晶石總儲(chǔ)量67億t計(jì)算，黑云母占總量的5%，可得到純凈的黑云母3.3億t，銣元素按0.15%平均品位計(jì)算，氧化銣儲(chǔ)量可達(dá)到50萬t，按現(xiàn)有年生產(chǎn)陶瓷A料35萬t計(jì)算，每年可得到純凈的黑云母17500t。氧化銣可得到26.25t。年生產(chǎn)KO 2800t，年生產(chǎn)稀土總量805t。烏蘭茶晶石黑云母中的氧化銣元素將會(huì)為我國國防工業(yè)提供一個(gè)稀有輕金屬銣元素的可靠原材料基地。

6 結(jié)論

烏蘭茶晶用于航空、軍工的外表涂層，用于化工、航空、軍工的結(jié)構(gòu)陶瓷，利用現(xiàn)代的科技研發(fā)手段都有可能實(shí)現(xiàn)，雖然研究人員做了大量的工作，采用烏蘭茶晶石所生產(chǎn)的產(chǎn)品，包括多個(gè)品種的日用瓷、建筑瓷、衛(wèi)生瓷、土壤調(diào)理劑等，但還有很多深度研發(fā)的內(nèi)容值得探討。