硫化矿物介电性能的温度与频率依赖性研究及其在微波冶金中的应用

针对冶金工业高能耗与环境约束问题，加拿大研究团队系统研究了六种硫化矿物（黄铜矿、黄铁矿等）的复介电常数（ε* = ε′ - jε″）随温度（25-600°C）和频率（228-1825 MHz）的变化规律。发现除闪锌矿外，矿物ε′和ε″均较高，且温度升高显著提升介电损耗（ε″）。该研究为微波辅助矿物分选与冶金工艺优化提供了关键参数，成果发表于《Powder Technology》。

　　

微波冶金作为清洁能源技术的重要方向，其核心挑战在于缺乏对矿物介电特性的系统认知。传统冶金工业面临高能耗与严苛环保要求的双重压力，而硫化矿物因独特的半导体特性成为微波处理的理想对象。然而，现有研究对矿物复介电常数（ε* = ε′ - jε″）的温度/频率依赖性数据匮乏，且不同文献对矿物微波吸收能力的排序存在矛盾。例如闪锌矿（sphalerite）的异常低损耗特性长期未获合理解释，制约了微波技术在矿物加工中的精准应用。

加拿大研究团队在《Powter Technology》发表的研究，首次全面测定六种典型硫化矿物（镍黄铁矿、黄铁矿、黄铜矿、方铅矿、辉钼矿、闪锌矿）在228-1825 MHz频段、25-600°C温度范围内的介电性能。通过腔体微扰法（cavity perturbation technique）结合热重分析（TGA）和HSC Chemistry?热力学模拟，揭示了矿物介电行为与晶体结构、导电性的内在关联。研究发现方铅矿（galena）表现出最高介电常数（ε′≈15）和损耗因子（ε″≈5），而闪锌矿（sphalerite）因宽带隙（3.7 eV）呈现极低ε″（<0.5）。温度升高通过增强离子电导率（σ_ac）显著提升多数矿物的ε″，但黄铁矿在450°C因分解为磁黄铁矿（pyrrhotite）出现介电峰。

关键技术方法包括：1）腔体微扰法测定宽频带复介电常数；2）同步热分析（STA）解析矿物相变；3）HSC Chemistry? 7.1模拟硫化物氧化路径；4）酸洗-冻干法处理镍黄铁矿（pentlandite）样品。研究样本来自Ward's Science商业供应商及加拿大Voisey's Bay矿区原生矿石。

【Permittivities and thermogravimetric analysis】

• 黄铜矿（chalcopyrite）在912 MHz下ε′从10（25°C）升至18（600°C），ε″由3增至12，归因于Cu⁺/Fe³⁺的电子跃迁；
• 方铅矿（galena）因Pb²⁺的6s²孤对电子极化，呈现最高tanδ（≈0.33）；
• 闪锌矿（sphalerite）的ε″<1始终低于其他矿物，证实其微波惰性特性。

【Conclusions】
研究建立了硫化矿物介电性能数据库，阐明三个关键规律：1）硫离子（S^2-）半径（18.4 nm）主导极化能力；2）温度通过缺陷形成提升σ_ac和ε″；3）晶体对称性（如黄铁矿立方晶系vs.白铁矿正交晶系）影响加热均匀性。该成果为微波裂解（microwave-assisted comminution）和火法冶金（pyrometallurgy）工艺设计提供理论依据，特别是解决了闪锌矿在铅锌矿分选中的“冷点”问题。作者建议后续研究应关注矿物杂质（如Fe²⁺替代Zn²⁺）对介电性能的调控作用。