几种黄铁矿破碎后破裂面上的原子分布特征.pdf

第6 2 卷第4 期 2 010 年11 月 有色金属 N o n f e r f o l l 8M e t a l s V 0 1 ．6 2 ．N O ．4 N O Y ．20l0 几种黄铁矿破碎后破裂面上的原子分布特征 于宏东1 ’2 ，孙传尧2 1 ．北京科技大学，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．北京矿冶研究总院矿物加工 科学与技术国家重点实验室，北京10 0 0 7 0 摘要采用E B S D 分析技术和M a t e r i a lS t u d i o 科学软件研究几种黄铁矿破裂面上的原子分布特征。结果表明，不同产地黄 铁矿破裂后其破裂面不仅具有择优取向，同时因产地不同它们的破裂面的晶体学取向也不同，不同破裂面上F e 和S 原子的密度 不同。 关键词工艺矿物学；黄铁矿；E B S D ；M a t e r i a lS t u d i o ；晶体取向；原子密度 中图分类号T D 9 1 2文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 1 0 0 4 0 0 8 2 0 3 浮选理论研究中常采用X P S 、A E S 等测试手段 分析矿物表面原子的分布特征并分析药剂与矿物表 面的作用机理，为解释矿物的浮选机理尤其是同名 矿物浮游性差异化的原因提供了重要的证据。 大量的浮选实践表明，不仅同种硅酸盐矿物的浮游 性不同，同种硫化物的浮游性也不同，关于同种硅酸 盐矿物浮游性差异化的原因在有关专著中已有详尽 的论述⋯，而对同种硫化物浮游性差异化的原因至 今鲜有研究。解释清楚同名硫化物浮游性差异化的 原因不仅与硫化物浮选理论有关，更为重要的是能 否准确测定或者分析矿物破裂后表面原子的分布密 度。以不同产地黄铁矿为例，在浮选领域中首次引 进电子背散射衍射分析技术分析了黄铁矿破裂后的 晶体学取向，从而根据黄铁矿理想晶体化学模型计 算矿物破裂面上原子的分布密度，为解释清楚同名 硫化物浮游性的差异提供新的研究思路和方法。 l 电子背散射衍射技术简介 2 0 世纪9 0 年代初，电子背散射衍射技术 E B S D 开始应用于扫描电子显微镜 S E M 中。该 技术是利用背散射衍射花样 E B S P 实现晶粒测量 的，其获得的一个晶粒的晶体取向数据是相对直接 的，测试分析时可以获得亚微米级的空间分辨率和 l 。左右的角分辨率。理论上，E B S D 可以对所有晶 收稿日期2 0 1 0 一O l 一0 7 作者简介于宏东 1 9 7 7 一 ，男．黑龙江兰西县人。工程师，博士，主 要从事应用矿物学等方面的研究。 孙传尧 1 9 4 4 一 ，男，黑龙江佳木斯市人，教授，中国工 程院院士，主要从事矿物加工科学与技术等方面研究。 系的晶体进行晶体学分析，该技术与扫面电镜结合， 不仅可以进行形貌观察和成分分析，而且能够对材 料进行晶体结构、晶粒取向等晶体学特征分析和未 知矿物相的鉴定。目前E B S D 分析技术广泛的应用 在材料科学、冶金、地质学等领域。E B S D 组构分析 是通过晶体背散射衍射图象来确定晶轴方向，进而 确定晶体颗粒排列的取向性。其特点与费氏台类 似，但E B S D 可以更精确地分析细小的矿物颗粒，而 且测试的颗粒多，更能客观地反映样品中矿物颗粒 的排列的优势方位旧J 1 。 利用E B S D 测试技术的这一优点，首次在浮选 领域引进E B S D 分析技术对浮选试样中黄铁矿的破 裂面进行晶体学分析，进而确定黄铁矿破碎后的晶 面取向。 2 样品的制备及测试结果 目前还没有对浮选试样进行E B S D 分析的例 子，进行E B S D 分析时样品的制备十分重要。E B S D 样品的制备包括3 个阶段，即矿物破裂面的定向固 定阶段、磨制阶段和抛光阶段。 1 破裂面的定向。 实体显微镜下将样品分散，将其破裂面固定在玻璃 片上压实，固化后制作成普通光片。 2 磨片。细 磨、精磨后选用较细的金刚砂磨制成光片。 3 抛 光。依次使用9 ，6 ，3 斗m 金刚石溶液和1 斗m 硅胶抛 光液进行抛光。抛光时间与设定的加载强度和光片 的光度有关。 4 喷镀。考虑该光片为分散的黄铁 矿试样，光片表面喷碳，以便于观察和获取更好的信 号。值得注意的是，由于背散射电子获取的信号是 样品表面1 0 n m 以内的晶体结构信息。样品喷镀的 万方数据 第4 期于宏东等几种黄铁矿破碎后破裂面上的原子分布特征 8 3 厚度需要严格掌握。 E B S D 分析在某大学大陆动力学实验室进行， 实验所用仪器为I n c aC r y s t a l 扫描电镜。扫描区域 为黄铁矿破裂面的定向区域，每个样品扫描2 5 帧，每帧扫描范围为0 ．8 r a m 2 ，扫描步长为2 0 1 山m 。 作图时采用下半球投影，统计半径为1 0 。，极点等密 度线以所占百分数表示，见图1 。 图1 中红色极密区代表所统计的颗粒的择优取 向。从图1 可以看出，不同产地黄铁矿破裂后其破 裂面具有择优取向且择优取向的晶面指数不同。 采用立方晶系{ 0 0 1 } 标准极图确定E B S D 标准 极图中极密点 红色区域 的晶向。以{ 0 0 1 } 极图为 例，通过与立方晶系{ 0 0 1 } 标准极图的对比，确定了 4 个产地黄铁矿破裂面极密点的指数，其中锡铁山 黄铁矿破裂后破裂面的晶体学取向为 1 2 1 ，大 厂黄铁矿破裂后破裂面的晶体学取向为 一3 2 1 ，冬瓜山黄铁矿破裂后破裂面的晶体学取向为 一l 一2 3 ，会泽黄铁矿破裂后破裂面的晶体学取 向为 一1 0 2 。 图1不同产地黄铁矿破裂面 0 0 1 标准极密图 F i g ．1 0 01 s t a n d a r dp o l ed e n s i t yd i a g r a mo fd i f f e r e n to r i g i no fp y r i t ef r a c t u r es u r f a c e 3 破裂面上表面原子密度的计算 M a t e r i a l sS t u d i o 是材料模拟软件。包括量子力 学、M o n t eC a r l o 、分子力学、分子动力学、介观动力 学、耗散粒子动力学、统计方法Q S A R 等多种先进算 法和x 射线衍射分析等仪器分析方法。覆盖催化 剂、聚合物、固体及表面、晶体与衍射、化学反应等材 料和化学研究领域。M a t e r i a l sS t u d i o 的中心模块是 M a t e r i a l sV i s u a l i z e r oM a t e r i a l sV i s u a l i z e r 提供了搭建 分子、晶体、界面、表面及高分子材料结构模型所需 的所有工具，可以操作、观察及分析计算前后的结构 模型，处理图型、表格或文本等形式的数据，并提供 软件的基本环境和分析工具以支持M a t e r i a l sS t u d i o 的其它产品。是M a t e r i a l sS t u d i o 产品系列的核心模 块。同时M a t e r i a l sV i s u a l i z e r 还支持多种输入、输出 格式，并可将动态的轨迹文件输出成a v i 文件加入 到O f f i c e 系列产品中。研究中主要应用M a t e r i a l s V i s u a l i z e r 模块下B u i l d ／S u r f a c e s ／C l e a v eS u r f a c e ，以 该软件提供的理想黄铁矿为模型，创建了上述四个 产地黄铁矿破裂后的晶面剖面，见图2 。 利用M a t e r i a l sS t u d i o 是材料模拟软件作出不同 晶面的剖面后，用式 1 一式 3 计算黄铁矿典型破 裂面上的原子密度。式中s 为以4 个晶胞为单元的 破裂面面积 n m 2 ，0 为平行四边形两边的夹角，L ， 和L 分别为平行四边形的边长 n m ，P ，。为铁原子 的密度 个／n m 2 ，N n 为铁原子的数目，P 。为硫原子 的密度 个／n m 2 ，Ⅳs 为硫原子的数目。 S s i n O L I L 2 1 P F 。 N h ／S 2 P 。 N 。／S 3 按上式计算的锡铁山黄铁矿破裂后具有择优取 向的 1 2 1 面上P ，。 7 ．9 7 ，P 。 8 ．3 1 。大厂黄铁 矿破裂后具有择优取向的 一3 一1 1 面上P h 6 ．5 8 ，P 。 9 ．0 8 。冬瓜山黄铁矿破裂后具有择优取 向的 一1 2 3 面上P ，， 4 ．8 3 ，P 。 7 ．6 5 。会泽黄 铁矿破裂后具有择优取向的 一1 0 2 面上P n 万方数据 有色金属第6 2 卷 8 ．7 3 ，P s 1 2 ．1 4 。 4结论 T 图2 不同破裂面上F e 和S 原子的分布特征 F i g ．2 D i s t r i b u t i o no fF ea n dSa t o m so nd i f f e r e n ts u r f a c er u p t u r e 借助于E B S D 技术在晶体学研究中的优点，通 过确定黄铁矿破裂面的择优取向和择优取向的晶向 指数，采用M a t e r i a lS t u d i o 材料软件，M a t e r i a l sV i s u 参考文献 a l i z e r 模块下B u i l d ／S u r f a c e s ／C l e a v eS u r f a c e 创建黄 铁矿破裂后的晶面剖面，进而计算不同晶面上F e 和 s 原子的密度。结果表明，不同产地黄铁矿破裂后 其破裂面不仅具有择优取向，同时它们的晶向也不 相同，其破裂面上原子密度也不同。 [ 1 ] 孙传尧，印万忠．硅酸盐矿物浮选原理[ M ] ．北京科学出版社，2 0 0 1 3 5 3 3 6 3 ． [ 2 ] 杨平．电子背散射衍射技术及其应用[ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 7 5 1 7 ． [ 3 ] 曹淑云，刘俊来．岩石显微构造分析现代技术一E B S D 技术及应用[ J ] ．地球科学进展，2 0 0 6 ，2 1 1 0 1 0 9 1 1 0 9 6 A t o m i cD i s t r i b u t i o nC h a r a c t e r i s t i c so nR u p t u r eS u r f a c e so fS e v e r a lP y r i t e s Y UH o n g ．d o n 9 1 一．S U NC h u a n y a 0 2 1 ．U n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i j i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fM i n e r a lP r o c e s s i n go fC h i n a ，B e r i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo f M i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 0 7 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h ea t o m i cd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so nt h er u p t u r es u r f a c eo fs e v e r a l p y r i t e sa r ei n v e s t i g a t e db ye l e c t r o n b a c k - s c a t t e rd i f f r a c t i o n E B S D a n a l y s i st e c h n i q u ea n dM a t e r i a l S t u d i os o f t w a r e ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h e b r e a k d o w np y r i t e sf r o md i f f e r e n ta r e a sh a v et h ep r e f e r r e do r i e n t a t i o no nt h ef a i l u r es u r f a c e s ，a tt h es a m et i m et h e c r y s t a l l o g r a p h i co r i e n t a t i o nt h ef r a c t u r ep l a n ei sd i f f e r e n td u et ot h e i rd i f f e r e n to r i g i n s ，t h ea t o md e n s i t i e so fF ea n d S o fd i f f e r e n tr u p t u r es u r f a c e sa r ed i f f e r e n tt o o ． K e y w o r d s p r o c e s s i n gm i n e r a l o g y ；p y r i t e ；E B S D ；M a t e r i a lS t u d i os o f t w a r e ；c r y s t a l l o g r a p h i co r i e n t a t i o n ； a t o md e n s i t y 万方数据