阅读说明：本技术 人工合成黑云母晶体及其结晶方法 (Artificially synthesized black mica crystal and crystallization method thereof ) 是由 李祈霖 孙承毅 黄腾 刘谋 叶文影 于 2020-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及人工合成黑云母晶体及其结晶方法。通过将特定比例的石英砂、电熔镁砂、碳酸钾、氧化铁以及氟硅酸钾、氧化铝,碱金属、碱土金属氟化物中的一种或几种在一定条件下经高温反应、熔融、冷却、析晶得出具有优良性能的人工合成黑云母晶体,解决目前人工合成黑云母晶体无法实现工业化生产的痛点,具有可观的应用前景。与本发明方法相匹配的制备人工合成黑云母晶体的设备,精确控制反应进程,极大提高反应效率。本发明制得的人工合成黑云母晶体具有良好的实用性能,质地纯净,耐高温耐腐蚀,还具有磁性,能够应用于高端电子产品中的磁性材料,具有广泛市场前景。(The invention relates to an artificially synthesized black mica crystal and a crystallization method thereof. The artificially synthesized black mica crystal with excellent performance is obtained by performing high-temperature reaction, melting, cooling and crystallization on one or more of quartz sand, fused magnesia, potassium carbonate, ferric oxide, potassium fluosilicate, aluminum oxide, alkali metal fluoride and alkaline earth metal fluoride in a specific proportion under a certain condition, so that the pain point that the industrial production cannot be realized by the existing artificially synthesized black mica crystal is solved, and the artificially synthesized black mica crystal has considerable application prospect. The equipment for preparing the artificially synthesized black mica crystal matched with the method disclosed by the invention can accurately control the reaction process and greatly improve the reaction efficiency. The artificially synthesized black mica crystal prepared by the method has the advantages of good practical performance, pure texture, high temperature resistance, corrosion resistance and magnetism, can be applied to magnetic materials in high-end electronic products, and has wide market prospect.)

人工合成黑云母晶体及其结晶方法

技术领域

本发明涉及化工技术领域，具体涉及人工合成黑云母晶体及其结晶方法。

背景技术

云母是一种造岩矿物，通常呈假六方或菱形的板状、片状、柱状晶形的晶体，是一种性能优良的绝缘体，质地坚硬，机械强度高，具有较大的电阻、较低的电介质损耗、抗电弧、耐电晕等优良的介电性能，和耐高温、耐温度急剧变化、耐酸碱等良好的物化性能，因此被广泛应用于众多化工领域。随着市场对功能性晶体的需求越来越大，更多种类更多性能的合成云母晶体有待进一步开发，如何在保持合成晶体的高纯度，高稳定性的同时，保证产品的功能性，是合成云母晶体的主要参考标准。

黑云母晶体是云母晶体中的一种，主要产于变质岩中，颜色从黑到褐、红色或绿色都有，具有玻璃光泽，形状多为板状、柱状。目前可供使用的黑云母晶体包括天然黑云母晶体和人工合成黑云母晶体两种。

人工合成黑云母晶体是一种人工合成的硅酸盐片状晶体，亦可称为合成氟铁云母。其质地纯正，不含重金属，具有耐高温(最高温度能耐1000℃)，耐酸碱的特性。与其他云母不同的是，由于成分中含有铁元素，人工合成黑云母具有磁性，可应用在一些特殊领域，如制成磁性材料，微波吸收材料、催化剂载体、细胞分离、磁记录材料、磁流体等。人工合成黑云母还具有完整的片状结构，满足了在涂料行业应用需求，可以应用在真石漆等装饰涂料，以及要求具备特殊光感，特殊性能(磁性珠光颜料)的珠光颜料。此外，人工合成黑云母自身可以研磨成微纳米级别的片状粉体，可以应用在一些微小电子零件中；可作为新型的减摩抗磨添加剂，摩擦过程中发生化学物理变化，对摩擦部件起到降低摩擦系数和减缓磨损的作用，同时使摩擦部件获得比较光滑平整的形貌，形成点状的摩擦表面修复膜，保护表面不受进一步损伤。

综上所述，人工合成黑云母拥有广泛的应用前景。目前大多数磁性材料采用金属永磁或硬磁、稀土永磁、钕铁硼永磁、钙钛矿等，但这些材料做到微米级纳米级的时候，常常无法保证颗粒的均匀性一致性，且加工难度大，对生产设备要求高。人工合成黑云母作为硅酸盐具有和天然云母晶体一样的片状可剥离性能，通过一定手段的研磨加工，可以晶体粉末化，且片层一致性佳，颗粒粒径分布良好，研磨粒径可实现微纳米级别，可以用微型电子元器件中。且价格低廉，相比现有的磁性材料具有明显的优势。目前使用的黑云母多为天然黑云母，天然黑云母的开采量低，纯度不高导致提纯成本较高，且磁性较微弱，具有明显的先天局限。现有技术中虽然有合成其他种类云母晶体的技术，但是没有研究人工合成黑云母相关课题，且无法实现工业化生产。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足和缺陷，提供人工合成黑云母晶体及其结晶方法，采取新的配方手段，烧制一种具有特殊结构的新型合成云母晶体，该晶体具有纯正的黑色光泽，具有磁性，拥有良好的应用前景。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种人工合成黑云母晶体，所述人工合成黑云母晶体的化学通式为K[Fea2+Mgb][Fec3+Ald]Si3O10F2，其中a+b＝3，且a≤0.5或b≤0.5；c+d＝1，且c≤0.75或d≤0.75。

人工合成黑云母晶体的结晶方法，步骤包括：

(1)设定经过化学物间的反应后的人工合成黑云母结构，按重量配比配备原料，所述原料中包含石英砂30-40％，电熔镁砂：4-27％，碳酸钾：4-16％，氧化铁：12-18％，所述原料中还包含氟硅酸钾、氧化铝，碱金属、碱土金属氟化物中的一种或几种；

(2)将步骤(1)中所述原料分别按化学计量比称重，并将各种原材料破碎至100目以下，充分分散混合；

(3)堆砌炉体，在炉体内壁铺设保温层，再将步骤(2)中破碎后的混合原料填入炉体中压实后为炉体升温，所述保温层由反应未完成的混合原料组成；

(4)给炉体加热，使炉体内温度升至1500-1700℃后保持不变，炉体内的混合原料充分熔制；

(5)反应结束后控制炉体内温度快速降温至1150-1350℃，并调节炉体加热功率使炉内温度缓慢降至1050-1250℃，降温速度为3-5℃/h。

(6)停止加热，使炉体内部的物料自然冷却析晶，待炉内温度冷却至室温后，开炉取得人工合成黑云母晶体。

具体的，所述步骤(4)中将炉体内温度从室温升温至1555-1650℃后保持温度不变。

具体的，所述步骤(5)中，反应结束后控制炉体内温度快速降温至1280℃，并控制炉体加热功率使炉内温度缓慢降至1180℃，降温速度为3-5℃/h。

具体的，步骤(1)中所述氧化铁，包括四氧化三铁，三氧化二铁，氧化亚铁等一种或者几种，所述碱金属、碱土金属氟化物包括氟化钾，氟化铝，氟化镁之中的一种或几种。

本发明相比现有技术包括以下优点及有益效果：本发明所涉及的人工合成黑云母晶体结晶方法，通过将特定比例石英砂、电熔镁砂、碳酸钾、氧化铁，以及氟硅酸钾、氧化铝、碱金属、碱土金属氟化物一种或几种物质，在一定条件下经高温反应、熔融、冷却、析晶得出具有优良性能的人工合成黑云母晶体，解决了目前人工合成黑云母晶体无法实现工业化生产的痛点，具有可观的应用前景。

附图说明

图1为本发明所制得的人工合成黑云母晶体的微观结构分析(扫描电镜法)。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明的具体实施过程如下：

本发明涉及的人工合成黑云母晶体化学通式为K[Fe_a ²⁺Mg_b][Fe_c ³⁺Al_d]Si₃O₁₀F₂，其中a+b＝3，且a≤0.5或b≤0.5；c+d＝1，且c≤0.75或d≤0.75。

云母的合成工艺主要可分为坩埚下降晶种法和内热法。本发明所涉及的人工合成黑云母晶体结晶方法的原理为内热法制合成云母。其中坩埚下降晶种法虽然能够制备板状大型晶体，但是由于其耗能高、周期长并且需要使用昂贵的铂坩埚，导致其生产成本较高，因此在大规模工业生产中应用较少。相比于坩埚下降晶种法，内热法具有耗能少、收率高、氟化物挥发小的优点，而且不需要坩埚。因此该方法作为目前大规模生产合成云母的主要方法。

内热法主要是将合成云母所需原料按照一定配比混合后加入耐火砖砌成的高温炉中，利用加热电极将部分生料熔融，熔融后的熔体能够导电，从而将原料全部熔化，最后冷却析出晶体从而得到目标产品。

人工合成黑云母晶体的结晶方法，步骤包括：

(1)设定经过化学物间的反应后的人工合成黑云母结构，按重量配比配备原料。

制备本发明所述人工合成黑云母晶体时，首先根据所需合成的黑云母晶体结构的不同，将氟硅酸钾、氧化铝，碱金属、碱土金属氟化物等一种或几种作为配料添加至石英砂、电熔镁砂、碳酸钾、氧化铁等原料中。其中氧化铁，包含四氧化三铁，三氧化二铁，氧化亚铁等一种或者几种，碱金属、碱土金属氟化物包括氟化钾，氟化铝，氟化镁中的一种或几种。

所述原料中石英砂30-40％，电熔镁砂：4-27％，碳酸钾：4-16％，氧化铁：12-18％，具体的，根据所需制得的人工合成黑云母的结构式不同，还包含氟硅酸钾14-17％、氧化铝2-12％，碱金属、碱土金属氟化物中的一种或几种。其中氧化铁包括四氧化三铁，三氧化二铁12-18％，氧化亚铁6-42％之中的一种或者几种，具体的成分比例以实施例所示为准。

(2)将步骤(1)中所述原料分别按化学计量比称重，并将各种原材料破碎至100目以下，充分分散混合。

(3)堆砌炉体，在炉体中安装电极，在炉体内壁铺设保温层，再将步骤(2)中破碎后的混合原料填入炉体中压实后为炉体升温，所述保温层由反应未完成的混合原料组成。

炉体自下向上依次为炉座、炉圈和炉口，炉圈直径是指炉圈尺寸最大部位的直径。炉体由标准高铝耐火砖、楔形高铝耐火砖、优质粘土砖中的任意一种或几种砌筑而成，炉体***用扁铁加固。

具体的，炉体内侧壁设置的保温层由反应未完成的原料组成。由于黑云母合成工艺的过程属于一个固液相变的过程，其中的热过程、容器、原料配比均会对固体析出的状态产生影响，从而直接影响到产品的品质。过快的冷却速度可能会导致最终得到产品为硅镁石而非云母，因此本方案中在炉体与混合原料中间加入保温层提供较慢的冷却速度，对形成较大的晶体有利。反应完成并且停电后，输入功率骤降为零。炉体内自然冷却析晶过程中，预先填在炉体内的回炉料作为保温层，可在不影响反应进行的前提下延长炉体内部的物料的冷却时间，使晶体析出的过程更稳定，提高晶体析出质量。

优选的，上述步骤(3)中所述电极为石墨电极组，由石墨电极板、石墨主电极棒和石墨副电极棒组成，石墨主电极棒安装在石墨电极板上，石墨主电极棒上端插接石墨副电极棒，石墨副电极棒上端连接有起弧小石墨电极，炉体内设有三个石墨电极组，三个以炉体的中轴线为中心，沿炉体侧壁的周向均匀分布。

具体的，石墨电极组中，石墨电极板向炉中心倾斜并且与水平成5-10°夹角，石墨主电极棒向炉中心倾斜并且与石墨电极板成100-105°的夹角，各个石墨主电极棒顶端之间保留相应的距离。

优选的，制备人工合成黑云母晶体的设备除了炉体、电极之外，还需要设置控制柜。控制柜与石墨电极组电连接控制石墨电极组的输入功率。熔制过程采用10KV电源供电，电源依次连接断路器、变压器，由变压器输出380V、220V、110V三组交流电源，变压器输出的三组电源与三个开关柜一一对应连接，三个开关柜再连入控制柜，从控制柜输出的电源连接至炉体上的石墨电极板上，对炉体中的混合原料加热。控制柜由大功率晶闸管及控制电路组成，在熔制过程中是调节输入功率大小的主要控制部分。

(4)对步骤(3)中安装的电极通电给炉体加热，使炉体内的混合原料充分熔制，炉体内温度升至1500-1700℃后保持不变，1500-1700℃内原料均可以反应，经大量实验和数据分析，发明人得出1555-1650℃内原料的反应效率更高。

(5)反应结束后控制炉体内温度快速降温至1350-1280℃，并调节炉体加热功率使炉内温度缓慢降至1150-1350℃，降温速度为3-5℃/h。由1350℃缓慢降至1050-1250℃是云母晶体的常规温度条件，即在此范围内均能够得到目标产品，本发明中经过大量的实验和数据分析得出在本步骤中温度由1280℃缓慢降至1180℃对人工合成黑云母晶体的合成更有利，最优降温速度为3℃/h。

(6)停止加热，使炉体内部的物料自然冷却析晶，待炉内温度冷却至室温后，开炉取得人工合成黑云母晶体。

附图1所示扫描电镜照片可见，本发明制得的人工合成黑云母样品断口呈层状、片状解理面较平滑、紧密。根据本发明所述方法步骤，制得的成品人工合成黑云母晶体的化学性质检测报告如下：

表1为本发明所制得的人工合成黑云母晶体的化学成分分析报告：

表2为实施例中各成分配比(按质量百分比计算)：

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
						SiO<sub>2</sub>	35.56％	36.90％	32.12％	31.01％	40.01％
MgO	26.87％	24.17％	4.05％		17.92％
						Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>		11.76％	2.56％	9.88％
K<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>	5.11％	5.31％	4.62％	4.46％	15.34％
						K<sub>2</sub>SiF<sub>6</sub>	16.30％	16.91％	14.72％	14.21％
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	17.78％		12.05％		17.78％
						FeO		6.64％	36.14％	41.87％
MgF<sub>2</sub>					13.85％

下面结合具体的实施例对人工合成黑云母的步骤和配方进行详细说明：

实施例一：利用石英砂、电熔镁砂、碳酸钾、氟硅酸钾、氧化铁为原材料制备结构式为KMg₃FeSi₃O₁₀F₂的人工合成黑云母晶体。KMg₃FeSi₃O₁₀F₂是本发明所制得的人工合成黑云母晶体的稳定结构式，本实施例中原料按重量配比为：SiO₂35.56％、MgO 26.87％、K₂CO₃5.11％、K₂SiF₆16.30％、Fe₂O₃17.78％，反应化学式为：

16SiO₂+3Fe₂O₃+K₂CO₃+2K₂SiF₆+18MgO＝6KMg₃FeSi₃O₁₀F₂+CO₂

步骤如下：

(1)按上述实重量配比配备原料，并混合均匀，得到混合原料。

(2)将步骤(1)中混合原料按化学计量比称重，并将各种原材料破碎至100目以下，充分分散混合。

(3)堆砌炉体，将步骤(2)中破碎后的混合原料填入炉体中压实，在混合原料与炉体之间预设一层保温层，所述保温层由反应未完成的混合原料组成，混合原料的填入高度与炉体最上层耐火砖平齐，并盖过起弧小石墨电极，最后在混合原料上方盖上一层保温层，启动设备开始升温；

每炉加入的混合原料总量(步骤(3)中的混合原料和炉体内保温层所含回炉料的总和)可根据炉体容量和具体熔制过程进行适量调节。

(4)启动设备通电对炉体中的混合原料进行熔制：炉体内温度从室温升温至1500-1700℃后保持温度不变(优选的温度为1555-1650℃)。

步骤(4)中，对炉体中的混合原料的熔制过程依次包括：

(4-1)起弧：将石墨电极组接通380V交流电源，调节输入功率从零逐渐增加至120KW，起弧小石墨电极发热并将部分混合原料熔解成熔液，此时熔液可导电，直至起弧小石墨电极熔断并由已溶解的熔液导电发热。

(4-2)起弧过程结束后，控制柜工作控制石墨电极组断开380V交流电源并接通220V交流电源，将输入功率逐渐增加，熔液继续导电发热，混合原料继续熔解，熔液量逐渐增加且持续导电发热，混合原料持续熔解。

具体的，在实践操作中，上述步骤(4-2)中输入功率的增加过程通常呈波浪型上升。熔制温度太低会导致混合原料熔解不完全，熔制温度太高则会导致F挥发严重。因此在步骤(4-2)中，应当每隔一段时间测量熔液温度，熔液温度过低时适当加大输入功率，熔液温度过高时适当降低输入功率，将熔液温度控制在预设范围内。

此步骤中应当注意的是，在进行熔制的过程中，每当炉面下陷时应当及时向炉面添加混合原料，并保持熔液温度控制在预设范围内。

(4-3)保温：当加入的混合原料全部熔解后，向炉面添加一层厚度均匀的回炉料，降低电极的输入功率，进入保温阶段。

(5)反应结束后控制炉体内温度快速降温至1150-1350℃，在缓慢降温100℃，降温速度为3-5℃/h。

(6)停电，使炉体内部的物料自然冷却析晶，待炉内温度冷却至室温后，开炉破碎，取得黑云母晶体。具体操作流程为：当炉体表面温度低于50℃时，拆去耐火砖，扒去未烧结的粉末、回炉料，然后进行打孔、***、镐破、拣选取出目标产品、破碎、筛分、包装、入库等步骤。

实施例二：利用石英砂、电熔镁砂、碳酸钾、氟硅酸钾和氧化铝、氧化亚铁为原材料制备结构式为KMg_2.6[Fe_0.4AlSi₃O₁₀]F₂的人工合成黑云母晶体。原料配比为：SiO₂36.90％、MgO 24.17％、Al₂O₃11.76％、K₂CO₃5.31％、K₂SiF₆16.91％、FeO6.64％，反应化学式为：

16SiO₂+2.4FeO+3Al₂O₃+K₂CO₃+2K₂SiF₆+15.6MgO＝6KMg_2.6[Fe_0.4AlSi₃O₁₀]F₂+CO₂

步骤如下：

(1)按上述实重量配比配备原料，并混合均匀，得到混合原料。

(2)将步骤(1)中混合原料按化学计量比称重，并将各种原材料破碎至100目以下，充分分散混合。

(3)堆砌炉体，将步骤(2)中破碎后的混合原料填入炉体中压实，在混合原料与炉体之间预设一层保温层，所述保温层由反应未完成的混合原料组成，混合原料的填入高度与炉体最上层耐火砖平齐，并盖过起弧小石墨电极，最后在混合原料上方盖上一层保温层，启动设备开始升温；

每炉加入的混合原料总量(步骤(3)中的混合原料和炉体内保温层所含回炉料的总和)可根据炉体容量和具体熔制过程进行适量调节。

(4)启动设备通电对炉体中的混合原料进行熔制：炉体内温度从室温升温至1500-1700℃后保持温度不变(优选的温度为1555-1650℃)。

步骤(4)中，对炉体中的混合原料的熔制过程依次包括：

(4-1)起弧：将石墨电极组接通380V交流电源，调节输入功率从零逐渐增加至120KW，起弧小石墨电极发热并将部分混合原料熔解成熔液，此时熔液可导电，直至起弧小石墨电极熔断并由已溶解的熔液导电发热。

(4-2)起弧过程结束后，控制柜工作控制石墨电极组断开380V交流电源并接通220V交流电源，将输入功率逐渐增加，熔液继续导电发热，混合原料继续熔解，熔液量逐渐增加且持续导电发热，混合原料持续熔解。

具体的，在实践操作中，上述步骤(4-2)中输入功率的增加过程通常呈波浪型上升。熔制温度太低会导致混合原料熔解不完全，熔制温度太高则会导致F挥发严重。因此在步骤(4-2)中，应当每隔一段时间测量熔液温度，熔液温度过低时适当加大输入功率，熔液温度过高时适当降低输入功率，将熔液温度控制在预设范围内。

此步骤中应当注意的是，在进行熔制的过程中，每当炉面下陷时应当及时向炉面添加混合原料，并保持熔液温度控制在预设范围内。

(4-3)保温：当加入的混合原料全部熔解后，向炉面添加一层厚度均匀的回炉料，降低电极的输入功率，进入保温阶段。

(5)反应结束后控制炉体内温度快速降温至1150-1350℃，在缓慢降温100℃，降温速度为3-5℃/h。

(6)停电，使炉体内部的物料自然冷却析晶，待炉内温度冷却至室温后，开炉破碎，取得黑云母晶体。具体操作流程为：当炉体表面温度低于50℃时，拆去耐火砖，扒去未烧结的粉末、回炉料，然后进行打孔、***、镐破、拣选取出目标产品、破碎、筛分、包装、入库等步骤。

实施例三：利用石英砂、电熔镁砂、碳酸钾、氟硅酸钾、氧化铁和氧化铝为原材料制备结构式为K[Fe_2.5Mg_0.5][Fe_0.75Al_0.25]Si₃O₁₀F₂的人工合成黑云母晶体。原料配比为：SiO₂32.12％、MgO 4.05％、Al₂O₃2.56％、K₂CO₃4.62％、K₂SiF₆14.72％、Fe₂O₃12.05％、FeO36.14％，反应化学式为：

16SiO₂+15FeO+2.25Fe₂O₃+0.75Al₂O₃+K₂CO₃+2K₂SiF₆+3MgO＝6K[Fe_2.5Mg_0.5][Fe_0.75Al_0.25]Si₃O₁₀F₂+CO₂

步骤如下：

(1)按上述实重量配比配备原料，并混合均匀，得到混合原料。

(2)将步骤(1)中混合原料按化学计量比称重，并将各种原材料破碎至100目以下，充分分散混合。

(3)堆砌炉体，将步骤(2)中破碎后的混合原料填入炉体中压实，在混合原料与炉体之间预设一层保温层，所述保温层由反应未完成的混合原料组成，混合原料的填入高度与炉体最上层耐火砖平齐，并盖过起弧小石墨电极，最后在混合原料上方盖上一层保温层，启动设备开始升温；

每炉加入的混合原料总量(步骤(3)中的混合原料和炉体内保温层所含回炉料的总和)可根据炉体容量和具体熔制过程进行适量调节。

(4)启动设备通电对炉体中的混合原料进行熔制：炉体内温度从室温升温至1500-1700℃后保持温度不变(优选的温度为1555-1650℃)。

步骤(4)中，对炉体中的混合原料的熔制过程依次包括：

(4-1)起弧：将石墨电极组接通380V交流电源，调节输入功率从零逐渐增加至120KW，起弧小石墨电极发热并将部分混合原料熔解成熔液，此时熔液可导电，直至起弧小石墨电极熔断并由已溶解的熔液导电发热。

(4-2)起弧过程结束后，控制柜工作控制石墨电极组断开380V交流电源并接通220V交流电源，将输入功率逐渐增加，熔液继续导电发热，混合原料继续熔解，熔液量逐渐增加且持续导电发热，混合原料持续熔解。

具体的，在实践操作中，上述步骤(4-2)中输入功率的增加过程通常呈波浪型上升。熔制温度太低会导致混合原料熔解不完全，熔制温度太高则会导致F挥发严重。因此在步骤(4-2)中，应当每隔一段时间测量熔液温度，熔液温度过低时适当加大输入功率，熔液温度过高时适当降低输入功率，将熔液温度控制在预设范围内。

此步骤中应当注意的是，在进行熔制的过程中，每当炉面下陷时应当及时向炉面添加混合原料，并保持熔液温度控制在预设范围内。

(4-3)保温：当加入的混合原料全部熔解后，向炉面添加一层厚度均匀的回炉料，降低电极的输入功率，进入保温阶段。

(5)反应结束后控制炉体内温度快速降温至1150-1350℃，在缓慢降温100℃，降温速度为3-5℃/h。

(6)停电，使炉体内部的物料自然冷却析晶，待炉内温度冷却至室温后，开炉破碎，取得黑云母晶体。具体操作流程为：当炉体表面温度低于50℃时，拆去耐火砖，扒去未烧结的粉末、回炉料，然后进行打孔、***、镐破、拣选取出目标产品、破碎、筛分、包装、入库等步骤。

实施例四：利用石英砂、氧化铝、碳酸钾、氟硅酸钾、氧化铁为原材料制备结构式为K(Fe²⁺)₃AlSi₃O₁₀F₂的人工合成黑云母晶体。原料配比为：SiO₂31.01％、Al₂O₃9.88％、K₂CO₃4.46％、K₂SiF₆14.21％、FeO41.87％，反应化学式为：

48SiO₂+54FeO+9Al₂O₃+3K₂CO₃+6K₂SiF₆＝18K(Fe²⁺)₃AlSi₃O₁₀F₂+3CO₂

步骤如下：

(1)按上述实重量配比配备原料，并混合均匀，得到混合原料。

(2)将步骤(1)中混合原料按化学计量比称重，并将各种原材料破碎至100目以下，充分分散混合。

(3)堆砌炉体，将步骤(2)中破碎后的混合原料填入炉体中压实，在混合原料与炉体之间预设一层保温层，所述保温层由反应未完成的混合原料组成，混合原料的填入高度与炉体最上层耐火砖平齐，并盖过起弧小石墨电极，最后在混合原料上方盖上一层保温层，启动设备开始升温；

每炉加入的混合原料总量(步骤(3)中的混合原料和炉体内保温层所含回炉料的总和)可根据炉体容量和具体熔制过程进行适量调节。

(4)启动设备通电对炉体中的混合原料进行熔制：炉体内温度从室温升温至1500-1700℃后保持温度不变(优选的温度为1555-1650℃)。

步骤(4)中，对炉体中的混合原料的熔制过程依次包括：

(4-1)起弧：将石墨电极组接通380V交流电源，调节输入功率从零逐渐增加至120KW，起弧小石墨电极发热并将部分混合原料熔解成熔液，此时熔液可导电，直至起弧小石墨电极熔断并由已溶解的熔液导电发热。

(4-2)起弧过程结束后，控制柜工作控制石墨电极组断开380V交流电源并接通220V交流电源，将输入功率逐渐增加，熔液继续导电发热，混合原料继续熔解，熔液量逐渐增加且持续导电发热，混合原料持续熔解。

具体的，在实践操作中，上述步骤(4-2)中输入功率的增加过程通常呈波浪型上升。熔制温度太低会导致混合原料熔解不完全，熔制温度太高则会导致F挥发严重。因此在步骤(4-2)中，应当每隔一段时间测量熔液温度，熔液温度过低时适当加大输入功率，熔液温度过高时适当降低输入功率，将熔液温度控制在预设范围内。

此步骤中应当注意的是，在进行熔制的过程中，每当炉面下陷时应当及时向炉面添加混合原料，并保持熔液温度控制在预设范围内。

(4-3)保温：当加入的混合原料全部熔解后，向炉面添加一层厚度均匀的回炉料，降低电极的输入功率，进入保温阶段。

(5)反应结束后控制炉体内温度快速降温至1150-1350℃，在缓慢降温100℃，降温速度为3-5℃/h。

(6)停电，使炉体内部的物料自然冷却析晶，待炉内温度冷却至室温后，开炉破碎，取得黑云母晶体。具体操作流程为：当炉体表面温度低于50℃时，拆去耐火砖，扒去未烧结的粉末、回炉料，然后进行打孔、***、镐破、拣选取出目标产品、破碎、筛分、包装、入库等步骤。

实施例五：利用石英砂、氧化镁、碳酸钾、氧化铁和氟化镁为原材料制备结构式为KMg₃FeSi₃O₁₀F₂的人工合成黑云母晶体。原料配比为：SiO₂40.01％、Fe₂O₃17.78％、K₂CO₃15.34％、MgO17.92％、MgF₂13.85％，反应化学式为：

6SiO₂+Fe₂O₃+K₂CO₃+2MgF₂+4MgO＝2KMg₃FeSi₃O₁₀F₂+CO₂

(1)按上述实重量配比配备原料，并混合均匀，得到混合原料。

(2)将步骤(1)中混合原料按化学计量比称重，并将各种原材料破碎至100目以下，充分分散混合。

(3)堆砌炉体，将步骤(2)中破碎后的混合原料填入炉体中压实，在混合原料与炉体之间预设一层保温层，所述保温层由反应未完成的混合原料组成，混合原料的填入高度与炉体最上层耐火砖平齐，并盖过起弧小石墨电极，最后在混合原料上方盖上一层保温层，启动设备开始升温；

每炉加入的混合原料总量(步骤(3)中的混合原料和炉体内保温层所含回炉料的总和)可根据炉体容量和具体熔制过程进行适量调节。

(4)启动设备通电对炉体中的混合原料进行熔制：炉体内温度从室温升温至1500-1700℃后保持温度不变(优选的温度为1555-1650℃)。

步骤(4)中，对炉体中的混合原料的熔制过程依次包括：

(4-1)起弧：将石墨电极组接通380V交流电源，调节输入功率从零逐渐增加至120KW，起弧小石墨电极发热并将部分混合原料熔解成熔液，此时熔液可导电，直至起弧小石墨电极熔断并由已溶解的熔液导电发热。

(4-2)起弧过程结束后，控制柜工作控制石墨电极组断开380V交流电源并接通220V交流电源，将输入功率逐渐增加，熔液继续导电发热，混合原料继续熔解，熔液量逐渐增加且持续导电发热，混合原料持续熔解。

具体的，在实践操作中，上述步骤(4-2)中输入功率的增加过程通常呈波浪型上升。熔制温度太低会导致混合原料熔解不完全，熔制温度太高则会导致F挥发严重。因此在步骤(4-2)中，应当每隔一段时间测量熔液温度，熔液温度过低时适当加大输入功率，熔液温度过高时适当降低输入功率，将熔液温度控制在预设范围内。

此步骤中应当注意的是，在进行熔制的过程中，每当炉面下陷时应当及时向炉面添加混合原料，并保持熔液温度控制在预设范围内。

(4-3)保温：当加入的混合原料全部熔解后，向炉面添加一层厚度均匀的回炉料，降低电极的输入功率，进入保温阶段。

(5)反应结束后控制炉体内温度快速降温至1150-1350℃，在缓慢降温100℃，降温速度为3-5℃/h。

(6)停电，使炉体内部的物料自然冷却析晶，待炉内温度冷却至室温后，开炉破碎，取得黑云母晶体。具体操作流程为：当炉体表面温度低于50℃时，拆去耐火砖，扒去未烧结的粉末、回炉料，然后进行打孔、***、镐破、拣选取出目标产品、破碎、筛分、包装、入库等步骤。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。