金红石二氧化钛 晶体结构分析

金红石二氧化钛 晶体结构分析

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金红石（Rutile）
TiO2
[晶体化学] 常含Fe2+、Fe3+、Nb5+、Ta5+、Sn4+等类质同像混入物,有时含Cr3+或V3+.多为异价替代,常见方式有2Nb5+(Ta5+)+ Fe2+—3Ti4+,Nb5+(Ta5+)+ Fe2+—Ti4++ Fe3+等.当Nb5+或Ta5+以1:1的方式替代Ti4+时,可能会导致晶格中的阳离子缺席.
富铁变种称为铁金红石；富含Nb、Ta的变种,当Nb>Ta时称铌铁金红石；Ta>Nb时称钽铁金红石.
[结构与形态] 四方晶系,a0=0.458nm,c0=0.295nm；Z=2.金红石型结构,为AX2型化合物的典型结构.O2-作近似六方最紧密堆积,Ti4+填充其半数的八面体空隙.Ti4+占据晶胞的角顶和中心,Ti与O分别为6次和3次配位,[TiO6]八面体共棱联结成∥c轴的链,链间八面体共角顶.
三种同质多像变体金红石、板钛矿、锐钛矿的结构都由[TiO6]八面体组成.所不同的是,在这三种结构中[TiO6]八面体分别共两棱、三棱和四棱.根据鲍林法则,配位多面体共棱、共面会降低结构的稳定性,因此,三种变体中以金红石分布最广.
复四方双锥晶类,D4h-4/mmm（L44L25PC）.常具完好的四方柱状或针状晶形.常见单形：四方柱m{110}、a{100},四方双锥s{111}、e{101},有时见复四方柱r{320}、h{120}和复四方双锥z{321}.晶体常具∥c轴的柱面条纹.常以（011）为双晶面成膝状双晶、三连晶或环状双晶；针状、纤维状晶体有时作为包裹体见于透明水晶中.有时成致密块状集合体.晶形与形成条件有关.在伟晶岩中,常呈双锥状、短柱状；而在金红石-石英脉中,快速结晶时则为长柱状、针状晶形.
[物理性质] 常见暗红、褐红色,黄、桔黄色者稀见,富铁者黑色；条痕浅黄至浅褐色；金刚光泽,铁金红石半金属光泽.解理∥{110}完全,∥{100}中等；裂开∥{092}和{011}.硬度6~6.5.性脆.相对密度4.4.3,富铁或铌、钽者可增高至5.5以上.
偏光镜下：大多为浅红、淡黄、紫色.多色性不显著.No黄至褐黄色；Ne褐黄至黄绿色.含有Nb、Ta、Fe的变种颜色变深,多色性显著.一轴晶(+).No=2.616,Ne= 2.903.人工合成纯金红石,No=2.605,Ne=2.901.
[产状与组合] 一般在高温下形成.最主要产状为热液金红石－石英脉型和伟晶型.在伟晶型中可成巨晶.在区域变质过程中,金红石常由含钛矿物（如钛铁矿）转变而成,见于角闪岩、榴辉岩、片麻岩和片岩中.金红石化学性质稳定,因而常发现于砂矿床中.
[鉴定特征] 四方柱晶形,膝状双晶,带红的褐色,柱面解理完全为其特征.
[工业应用] 主要用作颜料工业、光学材料、宝石原料,以及制作介电陶瓷等.
颜料工业：以其制取的纯TiO2粉称钛白粉.金刚光泽.一轴晶(+),高折射率,No=2.605~2.613,Ne=2.899~2.901.高反射率：Ro:21.21.1(470nm),19.20.0 (546nm),19.19.6(589nm),18.19.1(650nm)；Re:24.24.6(470nm),23.23.5 (546nm),22.23.0(589nm),22.22.6(650nm).高介电常数和明显的介电各向异性,介电常数k在∥c轴为173,⊥c轴为89.钛白粉具有高白度、高折射率和散射能力,在白色颜料中占90%以上,主要用于涂料、造纸、橡胶工业,占总消费量的85%以上.其中涂料用钛白粉约占钛白粉总消量的1/2.钛白粉对紫外光波段具有强吸收效应,常用作防晒化妆品的添加剂.此外,钛白粉还用于化学纤维、玻璃、陶瓷工业.
TiO2颜料分为金红石型和锐钛矿型.前者为微淡色泽,相对密度3.4.2,折射率2.71,吸油率16~48g/100g,平均粒径0.0.3μ；后者为冷蓝白色,相对密度3.4.1,折射率2.55,吸油率18~30g/100g,平均粒径0.18~0.3μ.
光学材料：金红石单晶具有特殊的透光性能.在波长1~5μm范围内的折射率为2.2.3,大致相当于常用探测器材料（Ge、Si、InSb、PbS等）和空气折射率的几何平均值.故作为元件窗口或前置透镜时可使反射损失显著减小.2mm厚的单晶薄片在0.43~6.2μm波长范围内是透明的.300nm厚的金红石单晶薄膜能将可见光反射掉42%,透过57%,可作无损而又耐久的分束器.
其它应用：金红石具高介电系数,可以耐10(12)频率级的超高频.含TiO2的陶瓷是一种优良的高频介电材料.金红石还是一种重要的高温隔热涂层材料.作为隔热材料使用时,要求矿物纯度高,结构为金红石型,铁杂质含量低,晶格常数较大,反射率较高,辐射系数较低,微波介电常数较高,介电损耗较低.美观的金红石单晶可作宝石.