Báo cáo KHOÁNG sản PHI KIM LOẠI phần II thạch anh

Thạch anh quang học và áp điện
Mở đầu:
Thạch anh (silic điôxít, Si O
2
) là một trong số những khoáng vật phổ biến
trên Trái Đất. Thạch anh được cấu tạo bởi một mạng liên tục các tứ diện silic–
oxy SiO
4
, trong đó mỗi ôxy chia sẻ giữa hai tứ diện nên nó có công thức chung
là SiO
2
.
Thạch anh được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau điện tử, quang học
và trong ngọc học. Các tinh thể thạch anh trong suốt có màu sắc đa dạng: tím,
hồng, đen, vàng và được sử dụng làm đồ trang sức từ rất xa xưa. Ametit loại
biến thể màu tím của thạch anh được coi là đá quý của tháng hai và là loại được
ưa chuộng nhất của họ thạch anh.
I Đại cương
Thạch anh là một trong những khoang vật phổ biến của vỏ trái đất, có công
thức SiO2, song những tinh thể trong suốt thì hiếm gặp. độ cứng của thạch anh
là 7
Thạch anh có 4 biến thể, mỗi biến thể tồn tại trong nhưng khoảng nhiệt độ
nhất định
Thạch anh β tồn tại ở khoảng nhiệt độ nhỏ hơn 573C
Thạch anh α tồn tại ở khoảng nhiệt độ 573 -870C
Thạch anh tridimit tồn tại ở khoảng nhiệt độ 870 -1470C
Thạch anh crixtobalit tồn tại ở khoảng nhiệt độ 1470 -1710C
Biến theerr thạch anh β ( ở nhiệt độ thấp) dạng tinh hệ ba phương là có ý
nghĩa công nghiệp nhất.
Dựa vào màu sắc tự nhiên người ta chia ra các loại :
Thạch anh pha lê không màu, trong suốt, thanh anh raukhot topa màu ám

khói, thạch anh morion màu đen, thạch anh xitrin có màu vàng kim, thạch anh
ametit có màu tím
Khi nung nóng ở khoảng nhiệt độ 350C thì màu thạch anh sẽ nhạt dần, hoặc
hoàn toàn mất màu. Trong tự nhiên thường gặp song tinh thach anh
Thạch anh có khả năng cho tia tử ngoại , hồng ngoại, xuyên qua vì vậy
chúng được sử dụng trong các dụng cụ quang học .
Có một số tinh thể thach anh mang tính áp điện. bản chất hiện tượng áp điện
là khi tác dụng một lực cơ học lên tấm tinh thể thạch anh đã gia công theo
phương trục kép thì phương đó xuất hiện điện tích trái dấu ở hai đầu mút
II Công dụng và yêu cầu công nghiệp
Các lĩnh vực sử dụng thạch anh hoàn toàn phụ thuộc vào chất lượng nguyên
liệu.
Ngành kĩ thuật vô tuyến điện dùng thạch anh áp điện để sản xuất các loại bộ
phận của máy âm hưởng, máy lọc âm.
Các linh kiện này có khả năng tách các song có tần số khác nhau. Kỹ thuật
siêu âm dùng thạch anh áp điện để sản xuất các loại máy báo hiêu( đo độ sâu
của đáy biển, phát hiện các tầu ngầm, thăm dò các luồng cá, chế tạo dụng cụ đo
áp suất nồi hơi, phát hiện các vêt rạn nứt trong kim loại
Ngành quang học dùng thạch anh quang học đẻ sản xuất các lăng kính, thấu
kính hội tụ các tia tử ngoại , xác định hướng quay của mặt phân cực, chế tạo
nêm bù màu để xác định hiệu số bước song
Ngoài ra người ta còn dùng thạch anh pha lê và các loại thạch anh
màu( morion, xitrin, ametit) để làm đồ trang sức
Dựa vào lĩnh vực sử dụng người ta chia nguyên liệu thạch anh làm 4 loại 1)
thạch anh áp điện 2) thạch anh quang học 3) thạch anh để chế tao các dụng cụ
pha lê 4) thạch anh dùng làm nguyên liệu mài
Để sản xuất các sản phẩm áp điện người ta có thể sử dụng thạch anh không
màu, ám khói và màu đen, bao gồm các đơn tinh thể, các mảnh săc cạnh hoặc
dạn cuội, sợi thạch anh. Các dạng thạch anh này không bị khuyết tật
Chất lượng các tinh thể , các mảnh , cuội thạch anh được xác định theo phần

trăm tỉ lệ đơn khổi ( đơn khối là chỗ tinh thể không bị khuyêt tật) với trọng
lượng chung của tinh thể
Ví dụ , có tinh thể thạch anh nặng 1kg, chỗ không bị khuyết là 250g, thì tỉ lệ
đơn khối của tinh thể thạch anh là 250:1000= 25%
Tinh thể có tỉ lệ đơn khổi càng lớn thì chất lượng càng cao. Ngành quang học
sử dụng các tinh thể thạch anh không màu trong suốt và cho tia tử ngoại và tia
quang phổ có bước song λ =2000 A xuyên qua, và có tỉ lệ đơn khối là 40%.
Phàn thể tích đơn khối cần có kích thước là 80x70x60 mm. 70x60x50 mm hoặc
45x35x30 mm, với điều kiện là phần bề mặt lớn sẵn có của tinh thể
Hiện nay ở liên xô, người ta dựa vào kích thước tạp chất có trong thạch anh
mà chia ra 3 hạng nguyên liệu
Yêu cầu công nghiệp đối với nguyên liệu thạch anh( theo I. romanovit năm
1986)
Các chỉ tiêu Hạng
I II III
Chiều dài tinh
thể( mảng (mm)
20-60 10-60 10-60
Phần không bị
khuyết (%)
80 50 30
Tạp chất cho phép
lơn nhất ( %)
Cr, Ni, Co 1.10^-5 1.10^-5 1.10^-5
Fe 5.10^-4 1.10^-3 1.10^-3
Na,K 1.10^-3 2.10^-3 5.10^-3
Al 2.10^-3 4.10^-3 8.10^-3
Ti 3.10^-4 5.10^-4 1.10^-3
Những thân khoáng gốc của thạch anh phả lê có giá trị công nghiệp khi có
hàm lượng thạch anh áp điện từ 100- 500, 600g đơn khôi trong 1 m khôi đá

Thân khoáng giàu có hàm lượng thạch anh áp điện từ 1,5-2 kg trong 1m3 đá
Hàm lượng thạch anh đơn khối tối thiểu trong các mỏ sa khoáng không nhỏ
hơn 1,5-2 kg trong 1m3 đá ( mỏ giàu có hàm lượng thạch anh pha lê đơn khổi
đạt đến 800-1000/ 1m3 đá)
Thạch anh quang học và áp điện là nguyên liệu chiến lược không có công bố
trong số liệu về trữ lượng khai thac và mức khai thác
Do nhu cầu nguyên liệu thạch anh ngày càng tăng nên hiện đã có nhiều nguồn
nước sản xuất thạch anh nhân tạo để thay thế dần thạch anh tự nhiên
III Các loai hình mỏ nguồn gốc, nguồn gốc công nghiệp
Các mỏ công nghiệp của thạch anh quang học và áp điện thì thuộc kiểu 1)
pegmatite 2) nhiệt dịch 3) phong hóa vụn 4) mỏ nguồn gôc biến chất
1.pegmatit
Mỏ loại này bao gồm các tinh thể thạch anh ám khói, thạch anh đen
( morinon) phát triển trong các hang hốc pegmatite. Mỏ ít hạt có giá trị công
nghiệp vì quy mô các dải chứa thạch anh khai thác không lớn. đối với loại này
người ta kêt hợp khai thác đồng thời nguyên liệu thạch anh topa, berin, fluorit
quang học, pespat
Các mỏ điển hình có ở liên xô, canada, brazin…
2.mỏ nhiệt dịch
Đây là loại hình mỏ có giá trị công ngiệp nhất của nguyên liệu thạch anh
quang học và áp điện
Thạch anh được lắng đọng từ dung dịch nhiệt dịch di chuyển theo các khe nứt
kiến tạo và các phần trên của vỏ trái đất
Các thân khoáng có dạng mạch, phân bố ở dạng nội ngoại tiếp xúc của các
khổ xâm nhập granitoit với đá vây quanh.
Các mạch thạch anh kiến tạo liên quan đến những đơi phá hủy kiến tạo. ở đới
ngoại tiếp xúc thường những mạch thanh anh phát triển, trong đá giàu oxit silic
tự do như quaczit, đá phiến kết tinh, cát kết…
Kích thước các mạch thạch anh cí khi đạt chiều dài 500m, dày 15-30m. thành
phần vật chất trong các mạch khá đơn giản, chủ yếu là thạch anh sau đó là

fenspat.
Thuộc kiểu nguồn gốc này còn có các mạch thạch anh pha lê phân ở rìa các
mạch phun trào ( octofia thạch anh)
3.mỏ phong hóa vụn sa khoáng
Thạch anh là khoáng vật rất bền vững trong điều kiện bề mặt cho nên chúng
thường tập trung trong các sản phẩm phong hóa cơ học như eluvi, deluvi, cũng
như sản phẩm phong hóa của sa khoáng aluvi
Các sản phẩm tàn tích (eluvi) phân bố liên quan chặt chẽ với những thân
khoáng gôc( là phần pha hủy cơ học trực tiếp bên trên mỏ gốc). những tập trung
deluvi của mạch thạch anh cũng được thành tạo do quá trình phong hóa cơ học,
chúng phân bố ở các sườn núi, với quy mô nhỏ, ít có giá trị công nghiệp.
Sa khoáng bồi tích được thành tạo do quá trình lắng đọng cơ học của vật liệu
vụn cát thạch anh. Loại này tạo thành những bãi bồi thềm sông và thềm biển với
quy mô lơn, rất có giá trị công nghiêp. Điển hình cho loại mỏ này có các mỏ cát
thạch anh lớn ở vân hải, nam ô và thủy triều
4.mỏ nguồn gốc biến chất
Bao gồm một số mạch thạch anh thành tạo trong quá trình phân dị biến chất
của dung dịch giàu SiO2 bị dung sóng và tuần hoàn trong đá. Những tích tụ
thạch anh pha lê tạo nên dải mạch anpin cũng được thành tạo trong quá trình
biến chất. ngoài ra, trong một số thành tạo xcacno co thể khai thác đồng thời
quặng kim loại cùng nguyên liệu thạch anh.
Một số hình ảnh thạch anh:
Kết luận:
Một đặc tính quan trọng của tinh thể thạch anh là nếu tác động bằng các dạng
cơ học đến chúng (âm thanh, sóng nước ) vào tinh thể thạch anh thì chúng sẽ
tạo ra một điện áp dao động có tần số tương đương với mức độ tác động vào
chúng, do đó chúng được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực. Chẳng hạn kiểm
soát những sự rung động trong các động cơ xe hơi để kiểm soát sự hoạt động
của chúng và được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghệ như: làm vật

cộng hưởng, vật liệu áp điện hiệu ứng phát quang âm cực
Những tinh thể thạch anh đầu tiên được sử dụng bởi chúng có tính chất “áp
điện”, có nghĩa là chúng chuyển các dao động cơ khí thành điện áp và ngược
lại, chuyển các dao động cơ khí thành các xung điện áp. Tính chất áp điện này
được Jacques Curie phát hiện năm 1880 và từ đó chúng được sử dụng vào trong
các mạch điện tử do tính chất hữu ích này.
Lần đầu tiên Walter G. Cady ứng dụng thạch anh vào một bộ kiểm soát dao
động điện tử vào năm 1921. Ông công bố kết quả vào năm 1922 và đến
năm 1927 thì Warren A. Marrison đã ứng dụng tinh thể thạch anh vào điều
khiển sự hoạt động của các đồng hồ.
Thạch anh ở dạng hạt (cát, bột) được sử dụng làm vật liệu đánh bóng, là vật
liệu quan trong trong công nghệ bán dẫn.