特定成分粒徑下大椅山火山渣的介電常數(shù)測(cè)定

李歡 李正偉 盧佳琦 張力心 陳亮霄

（東北大學(xué)，遼寧沈陽(yáng) 110819）

1 引言

介電常數(shù)是反映材料電介質(zhì)在靜電場(chǎng)作用下介電性質(zhì)或極化性質(zhì)的主要參數(shù)[1]。微波在傳輸過程中，由于材料的介電常數(shù)不同，會(huì)產(chǎn)生吸收、反射等現(xiàn)象[2]。而介電常數(shù)的影響因素包含了組成成分、粒徑等因素，因此研究大椅山玄武質(zhì)火山渣在特定成分、粒徑下的介電常數(shù)以及介電損耗，能夠反映輝南地區(qū)玄武質(zhì)火山渣對(duì)于微波作用的敏感性。

本文開展了特定粒徑、成分下輝南地區(qū)大椅山玄武質(zhì)火山渣的介電常數(shù)測(cè)試研究。

2 區(qū)域地質(zhì)情況及樣品采集

在吉林省輝南-靖宇地區(qū)內(nèi)的龍崗火山群有數(shù)量約100座的火山。這些火山的分布較為緊密，大小差異化嚴(yán)重，呈現(xiàn)多中心爆炸式噴發(fā)。這些火山的成分主要由火山碎屑巖、玄武質(zhì)火山渣、火山彈和熔巖組成[3]。

本試驗(yàn)研究計(jì)劃測(cè)定輝南地區(qū)玄武質(zhì)火山渣的介電常數(shù)，經(jīng)過對(duì)輝南靖宇地區(qū)的火山群進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查以及文獻(xiàn)搜集，選擇了吉林省輝南縣地區(qū)的大椅山為原材料的取樣地。

圖1 吉林省輝南-靖宇火山群地理簡(jiǎn)略圖

大椅山的主要地質(zhì)區(qū)域處于輝南靖宇地區(qū)的西北部，緊鄰廟前堡村，高度約為六百米，為火山巖漿噴發(fā)促使下所產(chǎn)生的，火山渣和玄武質(zhì)熔巖為巖石的主要礦物組成[4]，在輝南地區(qū)具有代表性，原料量豐富且充足[5]，因此選擇大椅山玄武質(zhì)火山渣作為研究對(duì)象。

大椅山玄武質(zhì)火山渣的化學(xué)成分組成及標(biāo)準(zhǔn)礦物（CIPW）如下表所示[6]。

表1 大椅山玄武質(zhì)火山渣的化學(xué)成分

表2 大椅山玄武質(zhì)火山渣的標(biāo)準(zhǔn)礦物組成

下圖為吉林省輝南地區(qū)大椅山的取樣現(xiàn)場(chǎng)和玄武質(zhì)火山渣。

圖2 取樣現(xiàn)場(chǎng)（大椅山）和玄武質(zhì)火山渣

3 玄武質(zhì)火山渣成分測(cè)定

3.1 玄武質(zhì)火山渣化學(xué)成分分析

采用XRF 定性O(shè)-20 分析方法對(duì)取回的樣品粉末進(jìn)行主要氧化物的分析，SQX計(jì)算結(jié)果如下：

表3 樣品的化學(xué)成分，單位（wt%）

原材料的化學(xué)成分中由于風(fēng)化、雜質(zhì)污染等原因，還含有微量的SrO、SO3、ZrO2、NiO、BaO、ZnO、Cl。

在玄武質(zhì)火山渣的化學(xué)組成中的SiO2、MgO、CaO、Al2O3，介電損耗相對(duì)較低，不能很好的吸收微波。但其中的MnO、Fe2O3、FeO 具有較高的介電常數(shù)、介電損耗，又有一定的磁化率，具有較好的微波吸收性能[7]。

3.2 玄武質(zhì)火山渣礦物組成分析

根據(jù)路遠(yuǎn)發(fā)[8]等提出的計(jì)算方法，計(jì)算CIPW，通常根據(jù)巖石的化學(xué)成分，通過測(cè)得的樣品的化學(xué)氧化物含量，轉(zhuǎn)換為氧化物的摩爾量，再根據(jù)CIPW 計(jì)算規(guī)則，求得氧化物對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)礦物。

根據(jù)化學(xué)成分表和計(jì)算規(guī)則求得原材料中化學(xué)成分對(duì)應(yīng)的分子數(shù)：

表4 樣品的氧化物的分子數(shù)

由上述步驟計(jì)算可得到礦物成分的分子數(shù)以及對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)礦物質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。如下表所示：

表5 樣品的標(biāo)準(zhǔn)礦物質(zhì)量百分?jǐn)?shù)

鈉長(zhǎng)石實(shí)際上很難在環(huán)境中單獨(dú)的形成，因?yàn)轭愘|(zhì)同像的原因，鈉長(zhǎng)石中的一些自動(dòng)轉(zhuǎn)換為了鉀長(zhǎng)石，其余的大量鈉長(zhǎng)石則會(huì)與鈣長(zhǎng)石發(fā)生結(jié)合，生成斜長(zhǎng)石。利用如下公式將鈉長(zhǎng)石分配到斜長(zhǎng)石中和堿性長(zhǎng)石中：

經(jīng)過公式計(jì)算可以得到，原材料中有40.08%的成分可以看作為斜長(zhǎng)石，有17.85%的成分可以視為堿性長(zhǎng)石。

里特曼指數(shù)σ：

適用于大多數(shù)巖石類型。

表6 樣品的標(biāo)準(zhǔn)礦物含量

斜長(zhǎng)石的介電常數(shù)在6左右，輝石的介電常數(shù)在8 左右，鐵礦石的介電常數(shù)在40 左右，巖石從超基性巖到中性巖到酸性巖到堿性巖是逐步降低的過程[9]。玄武質(zhì)火山渣中主要礦物為斜長(zhǎng)石和輝石，斜長(zhǎng)石的介電常數(shù)相對(duì)較低，但輝石是具有吸波能力的礦物巖石，同時(shí)鈦鐵礦的介電常數(shù)較高，具有很高的微波吸收性，因此，玄武質(zhì)火山渣應(yīng)在一定的頻率下具有微波吸收性。

4 玄武質(zhì)火山渣粒徑級(jí)配

4.1 設(shè)備介紹

針對(duì)玄武質(zhì)火山渣的研磨加工，本試驗(yàn)方案最終選定行星式球磨機(jī)為加工設(shè)備。

圖3 球磨機(jī)和球磨介質(zhì)

行星球磨機(jī)，可以對(duì)原材料進(jìn)行磨碎、物料混合、原材料粉末生產(chǎn)（不同粒徑數(shù)值）。研磨罐和研磨介質(zhì)的材質(zhì)選定為氧化鋯，磨損過程中可能帶來的污染為ZrO2、Y2O3，但極其微量，不影響后期試驗(yàn)結(jié)果。

4.2 玄武質(zhì)火山渣研磨

對(duì)玄武質(zhì)火山渣采取初步的人工破碎后，采用行星式球磨機(jī)進(jìn)行磨粉處理。通過不斷調(diào)試球磨機(jī)公轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)次數(shù)，轉(zhuǎn)速，循環(huán)次數(shù)和時(shí)間得到試驗(yàn)需求的玄武質(zhì)火山渣粉末。最終設(shè)定球磨機(jī)參數(shù)—額定功率0.75kw；正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速600rpm；反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速600rpm；時(shí)間5-30 分鐘；對(duì)玄武質(zhì)火山渣進(jìn)行研磨，得到5目-500目的玄武質(zhì)火山渣粉末。

圖4 玄武質(zhì)火山渣與玄武質(zhì)火山渣粉末

4.3 玄武質(zhì)火山渣粉末粒徑級(jí)配

利用篩分法對(duì)原材料粉末進(jìn)行過篩（篩分法[10]：利用目數(shù)數(shù)值不同的篩子，將玄武質(zhì)火山渣粉末過篩，按照重量對(duì)其進(jìn)行配比）。

篩分粒徑目數(shù)包含0-5 目、5-10 目、10-18 目、18-35 目、35-60 目、60-120 目、120-230 目、230-400目、400-500目、500目以上。

按照一定的比例對(duì)不同目數(shù)的玄武質(zhì)火山渣粉末進(jìn)行粒徑配比（該粒徑級(jí)配方式參照Mitchell J K等[11]在論文中得到的粒徑級(jí)配曲線），得到的粒徑級(jí)配曲線如下圖所示：

圖5 玄武質(zhì)火山碎屑粉末的粒徑級(jí)配曲線

根據(jù)玄武質(zhì)火山渣粉末的粒徑級(jí)配曲線可計(jì)算得到：

有效粒徑d10：0.025mm；中值粒徑d50：0.080mm；控制粒徑d60：0.132mm。

根據(jù)粒徑級(jí)配曲線計(jì)算玄武質(zhì)火山渣粉末的平均粒徑，首先是將毫米為單位的粒度轉(zhuǎn)換為數(shù)值整數(shù)phi標(biāo)度[12]：

S為以毫米為單位的粒度，?=phi大小

平均粒徑是所有顆粒尺寸的算術(shù)平均值，通過獲取累積曲線在16%、50%、84%的值來計(jì)算：

其中MZ為平均粒徑，?16為對(duì)應(yīng)于16%的phi 尺寸，?50為對(duì)應(yīng)于50%的phi 尺寸，?84為對(duì)應(yīng)于84%的phi尺寸。

通過轉(zhuǎn)換計(jì)算獲得平均粒徑MZ：0.103mm

不均勻系數(shù)CU=4.12，均勻粉末（該不均勻系數(shù)計(jì)算方式參照Gromov 等[13]在論文中計(jì)算不均勻系數(shù)的方式）。

5 介電常數(shù)試驗(yàn)

5.1 設(shè)備介紹

現(xiàn)采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀利用同軸法來測(cè)定玄武質(zhì)火山渣粉末的介電常數(shù)。

圖6 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

5.2 介電常數(shù)測(cè)定

介電常數(shù)可以衡量物質(zhì)儲(chǔ)存電磁能量的強(qiáng)弱，是評(píng)價(jià)微波作用于玄武質(zhì)火山碎屑的重要電學(xué)參數(shù)。

鄭永春等[14]，復(fù)介電常數(shù)分為實(shí)部和虛部，計(jì)算公式如下：

ε'是復(fù)介電常數(shù)當(dāng)中的實(shí)部，稱為介電常數(shù)；ε''是復(fù)介電常數(shù)當(dāng)中的虛部，也可以看作是介電常數(shù)的損耗因子，受到磁導(dǎo)率的影響。

介質(zhì)材料的介電損耗角正切值：

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀樣品盛裝容器如下圖所示：空心圓柱外徑6.97mm，內(nèi)徑3.05mm，厚度10cm。將玄武質(zhì)火山渣粉末樣品，裝入空心圓環(huán)圓柱體中，自然松散堆積，兩側(cè)抹成與壁齊平，玄武質(zhì)火山碎屑粉末的密度為1.53g/cm3，孔隙比為0.91，樣品與設(shè)備間的間隙均為0mm。

設(shè)備的試驗(yàn)參數(shù)為：設(shè)定測(cè)定的頻率為0.8-12GHz，中間測(cè)試點(diǎn)數(shù)為201，測(cè)試溫度為25攝氏度，測(cè)試功率（dBm）為-5。

圖7 樣品盛裝容器示意圖

5.3 不同頻率參數(shù)下的介電常數(shù)

試驗(yàn)得到不同頻率下玄武質(zhì)火山渣粉末的介電常數(shù)及介電損耗角正切值如下圖所示。

6 結(jié)論

（1）通過XRF 測(cè)試和CIPW 計(jì)算，得到了輝南地區(qū)大椅山玄武質(zhì)火山渣的化學(xué)成分和礦物組成，通過對(duì)其的成分分析，可以發(fā)現(xiàn)其是在一定頻率下具有微波吸收性的材料。

（2）通過行星式球磨機(jī)研磨、目數(shù)篩子篩分、配比，獲得特定粒徑級(jí)配曲線下的玄武質(zhì)火山渣粉末。

（3）利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用同軸法對(duì)玄武質(zhì)火山渣粉末進(jìn)行介電常數(shù)和損耗的測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果表明，玄武質(zhì)火山渣粉末在不同的測(cè)試頻率下，表現(xiàn)出不同的介電屬性。當(dāng)測(cè)試頻率為1-2GHz 時(shí)，玄武質(zhì)火山渣粉末介電常數(shù)顯著增加，其介電損耗也相對(duì)較高；表明玄武質(zhì)火山渣粉末在該頻率下，具有較大的微波吸收性。

圖8 不同頻率下的玄武質(zhì)火山渣粉末介電常數(shù)

圖9 不同頻率下的玄武質(zhì)火山渣粉末介電損耗