李欢 李正伟 卢佳琦 张力心 陈亮霄

（东北大学，辽宁沈阳 110819）

1 引言

介电常数是反映材料电介质在静电场作用下介电性质或极化性质的主要参数[1]。微波在传输过程中，由于材料的介电常数不同，会产生吸收、反射等现象[2]。而介电常数的影响因素包含了组成成分、粒径等因素，因此研究大椅山玄武质火山渣在特定成分、粒径下的介电常数以及介电损耗，能够反映辉南地区玄武质火山渣对于微波作用的敏感性。

本文开展了特定粒径、成分下辉南地区大椅山玄武质火山渣的介电常数测试研究。

2 区域地质情况及样品采集

在吉林省辉南-靖宇地区内的龙岗火山群有数量约100座的火山。这些火山的分布较为紧密，大小差异化严重，呈现多中心爆炸式喷发。这些火山的成分主要由火山碎屑岩、玄武质火山渣、火山弹和熔岩组成[3]。

本试验研究计划测定辉南地区玄武质火山渣的介电常数，经过对辉南靖宇地区的火山群进行地质调查以及文献搜集，选择了吉林省辉南县地区的大椅山为原材料的取样地。

图1 吉林省辉南-靖宇火山群地理简略图

大椅山的主要地质区域处于辉南靖宇地区的西北部，紧邻庙前堡村，高度约为六百米，为火山岩浆喷发促使下所产生的，火山渣和玄武质熔岩为岩石的主要矿物组成[4]，在辉南地区具有代表性，原料量丰富且充足[5]，因此选择大椅山玄武质火山渣作为研究对象。

大椅山玄武质火山渣的化学成分组成及标准矿物（CIPW）如下表所示[6]。

表1 大椅山玄武质火山渣的化学成分

表2 大椅山玄武质火山渣的标准矿物组成

下图为吉林省辉南地区大椅山的取样现场和玄武质火山渣。

图2 取样现场（大椅山）和玄武质火山渣

3 玄武质火山渣成分测定

3.1 玄武质火山渣化学成分分析

采用XRF 定性O-20 分析方法对取回的样品粉末进行主要氧化物的分析，SQX计算结果如下：

表3 样品的化学成分，单位（wt%）

原材料的化学成分中由于风化、杂质污染等原因，还含有微量的SrO、SO3、ZrO2、NiO、BaO、ZnO、Cl。

在玄武质火山渣的化学组成中的SiO2、MgO、CaO、Al2O3，介电损耗相对较低，不能很好的吸收微波。但其中的MnO、Fe2O3、FeO 具有较高的介电常数、介电损耗，又有一定的磁化率，具有较好的微波吸收性能[7]。

3.2 玄武质火山渣矿物组成分析

根据路远发[8]等提出的计算方法，计算CIPW，通常根据岩石的化学成分，通过测得的样品的化学氧化物含量，转换为氧化物的摩尔量，再根据CIPW 计算规则，求得氧化物对应的标准矿物。

根据化学成分表和计算规则求得原材料中化学成分对应的分子数：

表4 样品的氧化物的分子数

由上述步骤计算可得到矿物成分的分子数以及对应的标准矿物质量百分数。如下表所示：

表5 样品的标准矿物质量百分数

钠长石实际上很难在环境中单独的形成，因为类质同像的原因，钠长石中的一些自动转换为了钾长石，其余的大量钠长石则会与钙长石发生结合，生成斜长石。利用如下公式将钠长石分配到斜长石中和碱性长石中：

经过公式计算可以得到，原材料中有40.08%的成分可以看作为斜长石，有17.85%的成分可以视为碱性长石。

里特曼指数σ：

适用于大多数岩石类型。

表6 样品的标准矿物含量

斜长石的介电常数在6左右，辉石的介电常数在8 左右，铁矿石的介电常数在40 左右，岩石从超基性岩到中性岩到酸性岩到碱性岩是逐步降低的过程[9]。玄武质火山渣中主要矿物为斜长石和辉石，斜长石的介电常数相对较低，但辉石是具有吸波能力的矿物岩石，同时钛铁矿的介电常数较高，具有很高的微波吸收性，因此，玄武质火山渣应在一定的频率下具有微波吸收性。

4 玄武质火山渣粒径级配

4.1 设备介绍

针对玄武质火山渣的研磨加工，本试验方案最终选定行星式球磨机为加工设备。

图3 球磨机和球磨介质

行星球磨机，可以对原材料进行磨碎、物料混合、原材料粉末生产（不同粒径数值）。研磨罐和研磨介质的材质选定为氧化锆，磨损过程中可能带来的污染为ZrO2、Y2O3，但极其微量，不影响后期试验结果。

4.2 玄武质火山渣研磨

对玄武质火山渣采取初步的人工破碎后，采用行星式球磨机进行磨粉处理。通过不断调试球磨机公转、转次数，转速，循环次数和时间得到试验需求的玄武质火山渣粉末。最终设定球磨机参数—额定功率0.75kw；正转，转速600rpm；反转，转速600rpm；时间5-30 分钟；对玄武质火山渣进行研磨，得到5目-500目的玄武质火山渣粉末。

图4 玄武质火山渣与玄武质火山渣粉末

4.3 玄武质火山渣粉末粒径级配

利用筛分法对原材料粉末进行过筛（筛分法[10]：利用目数数值不同的筛子，将玄武质火山渣粉末过筛，按照重量对其进行配比）。

筛分粒径目数包含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。

按照一定的比例对不同目数的玄武质火山渣粉末进行粒径配比（该粒径级配方式参照Mitchell J K等[11]在论文中得到的粒径级配曲线），得到的粒径级配曲线如下图所示：

图5 玄武质火山碎屑粉末的粒径级配曲线

根据玄武质火山渣粉末的粒径级配曲线可计算得到：

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

根据粒径级配曲线计算玄武质火山渣粉末的平均粒径，首先是将毫米为单位的粒度转换为数值整数phi标度[12]：

S为以毫米为单位的粒度，∅=phi大小

平均粒径是所有颗粒尺寸的算术平均值，通过获取累积曲线在16%、50%、84%的值来计算：

其中MZ为平均粒径，∅16为对应于16%的phi 尺寸，∅50为对应于50%的phi 尺寸，∅84为对应于84%的phi尺寸。

通过转换计算获得平均粒径MZ：0.103mm

不均匀系数CU=4.12，均匀粉末（该不均匀系数计算方式参照Gromov 等[13]在论文中计算不均匀系数的方式）。

5 介电常数试验

5.1 设备介绍

现采用矢量网络分析仪利用同轴法来测定玄武质火山渣粉末的介电常数。

图6 矢量网络分析仪

5.2 介电常数测定

介电常数可以衡量物质储存电磁能量的强弱，是评价微波作用于玄武质火山碎屑的重要电学参数。

郑永春等[14]，复介电常数分为实部和虚部，计算公式如下：

ε'是复介电常数当中的实部，称为介电常数；ε''是复介电常数当中的虚部，也可以看作是介电常数的损耗因子，受到磁导率的影响。

介质材料的介电损耗角正切值：

矢量网络分析仪样品盛装容器如下图所示：空心圆柱外径6.97mm，内径3.05mm，厚度10cm。将玄武质火山渣粉末样品，装入空心圆环圆柱体中，自然松散堆积，两侧抹成与壁齐平，玄武质火山碎屑粉末的密度为1.53g/cm3，孔隙比为0.91，样品与设备间的间隙均为0mm。

设备的试验参数为：设定测定的频率为0.8-12GHz，中间测试点数为201，测试温度为25摄氏度，测试功率（dBm）为-5。

图7 样品盛装容器示意图

5.3 不同频率参数下的介电常数

试验得到不同频率下玄武质火山渣粉末的介电常数及介电损耗角正切值如下图所示。

6 结论

（1）通过XRF 测试和CIPW 计算，得到了辉南地区大椅山玄武质火山渣的化学成分和矿物组成，通过对其的成分分析，可以发现其是在一定频率下具有微波吸收性的材料。

（2）通过行星式球磨机研磨、目数筛子筛分、配比，获得特定粒径级配曲线下的玄武质火山渣粉末。

（3）利用矢量网络分析仪采用同轴法对玄武质火山渣粉末进行介电常数和损耗的测定，试验结果表明，玄武质火山渣粉末在不同的测试频率下，表现出不同的介电属性。当测试频率为1-2GHz 时，玄武质火山渣粉末介电常数显著增加，其介电损耗也相对较高；表明玄武质火山渣粉末在该频率下，具有较大的微波吸收性。

图8 不同频率下的玄武质火山渣粉末介电常数

图9 不同频率下的玄武质火山渣粉末介电损耗