作为常见碳酸盐矿物, 方解石形成于多种地质环境, 在地球上广泛分布, 在地球深部随着温度压力的改变可转变为不同的相态, 其在不同的温压条件下的物理化学性质对于研究地球深部碳循环可具有一定的指示意义。 由于方解石在1 164 K附近发生分解, 目前关于方解石在高温下的相变研究还相对较少, 尤其是CaCO3-Ⅰ到CaCO3-Ⅳ的相变, 需要更多的实验数据加以佐证。 在通CO2气氛条件下, 采用高温Raman(298～1 323 K)和高温XRD(298～1 223 K)实验技术对方解石在不同温度条件下的行为进行了研究。 高温Raman实验发现: 随着温度的升高, 拉曼峰逐渐向低频率方向移动, 峰的半高宽随之增加, 峰强基本呈现逐渐降低的趋势； 随着温度的升高, 276 cm-1峰向低频方向移动, 当温度升高至973 K时, 该峰频率出现反常行为, 移向高频265 cm-1, 在1 023～1 223 K范围内频率基本保持在265 cm-1不变, 温度升高至1 248 K时, 再次移向高频266 cm-1, 并在1 248～1 298 K范围保持不变； 706和1 430 cm-1谱峰频移在1 223 K附近也发生了同样的异常行为； 谱峰频移的异常现象推测与CaCO3-Ⅰ到CaCO3-Ⅳ、 CaCO3-Ⅴ相变相关, 与相关报道的相变温度点十分接近。 高温XRD实验发现: 随着温度的升高, 一些衍射峰移向高角度, 一些衍射峰移向低角度, 部分相邻的衍射峰发生合并并逐步分离的现象； 衍射峰(211)在1 123～1 173 K 附近消失, 推测与CaCO3-Ⅰ到CaCO3-Ⅴ的相变相关； 方解石a轴呈现出负热膨胀, c轴呈现出正热膨胀； 通过热膨胀方程对CaCO3-Ⅰ在不同温度下的晶胞参数进行拟合, 获得a轴方向在常温下的热膨胀系数α0(a)为-0.60(2)×10-5/K, c轴方向在常温下的热膨胀系数α0(c)为2.42(4)×10-5/K, 体积V在常温下的热膨胀系数α0(V)为1.21(2)×10-5/K; 然而1 000 K附近XRD图谱没有发生明显的改变, 即未发现CaCO3-Ⅳ的存在。

黄土特殊的结构和矿物组成导致其遇水易崩解, 并引起边坡失稳、湿陷性沉降等一系列岩土工程问题。微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术是一种新型微生物矿化技术, 本文通过自制崩解仪探究了养护龄期和胶结液浓度对MICP改良黄土崩解时间和崩解率的影响, 根据非饱和土的单值有效应力公式, 从孔隙水压力和孔隙气压力的角度建立了非饱和土崩解的力学模型, 利用推导出的崩解率-时间公式拟合黄土试样的崩解曲线。结果表明: MICP改良试样的崩解率均低于未改良的试样; 随着养护龄期增加, 0.6 mol/L胶结液改良黄土的崩解时间由12 min增加到28 min; 养护14 d时, MICP改良黄土的崩解率达到最低值0.02%, 崩解率-时间公式对崩解率曲线的调整拟合优度均在0.90以上。

采用微筛孔反应器，以Ca(NO3)2·4H2O为钙源连续相、(NH4)2CO3为碳源分散相，液相沉淀法制备纳米CaCO3。利用XRD、TEM等表征手段分析研究分散相与连续相流量、浓度和停留时间等制备条件对碳酸钙的粒径、产率和形貌的影响。结果表明，使用微筛孔反应器通过液相沉淀法可制得平均粒径45~92 nm、产率达80%以上的方解石型纳米CaCO3。适宜的制备条件为：连续相进料流量FC=150 mL/min、分散相进料流量FD=150 mL/min、连续相浓度［Ca2+］=0.05 mol/L、分散相浓度［CO2-3］=0.2 mol/L、停留时间τ=5 s。微筛孔反应器特有的孔道结构能够均匀分散液相体系，从而避免了一般微反应器在液相沉淀反应中出现的堵塞问题，微筛孔反应器的分子扩散混合模式可大幅度强化液相体系的扰动程度并提高CaCO3过饱和度，使制得样品粒径较小且分布极窄。同时，通过改变制备条件可灵活调控样品的形貌与粒径。

氟元素主要存在于磷矿和萤石等矿物中, 这些矿物中都伴生有方解石脉石矿物, 在浮选分离的弱酸条件下, 矿物表面的F-会部分溶出并吸附到矿物表面, 从而影响矿物表面性质。本文研究了F-在方解石表面的吸附及其对方解石表面性质的影响机理。结果表明, 在矿浆pH 值为5.5时, F-以化学吸附的方式吸附在方解石表面, 随着吸附时间的增加吸附量逐渐增加, 90 min时方解石对F-的吸附达到平衡。在油酸钠(NaOL)为捕收剂时, F-的存在会降低方解石表面的疏水性。通过Zeta电位测试、溶液化学计算和X射线光电子能谱仪(XPS)分析表明, F-会和方解石表面的Ca2+反应生成CaF2沉淀, 占据方解石表面的Ca位点, 降低NaOL在方解石表面的吸附量。

以轻烧白云石粉、氯化铵和二氧化碳为原料, 在未使用晶型控制剂的情况下, 通过蒸氨-沉钙过程制备出了似立方体状碳酸钙。研究了反应温度、溶液中钙离子浓度、通气速率、搅拌速度以及陈化时间对碳酸钙中方解石相含量以及晶体形貌的影响, 并探索了沉钙反应的晶型控制机理。结果表明, 在反应温度40 ℃、钙离子浓度0.05 mol/L、通碳速率100 mL/min、搅拌速度400 r/min和陈化时间2 h的条件下, 制备出形貌规整、粒径分布均匀的似立方体状碳酸钙, 平均粒径为5~10 μm。该研究为提升白云石的使用价值、生产高附加价值的碳酸钙产品, 以及提高白云石资源的利用率提供理论基础。

以方解石矿石为原料, 利用制备的重镁水(Mg(HCO3)2)及中间产物氯化钙制备文石型碳酸钙晶须, 并采用SEM、XRD及EDS对产品进行表征。探究了重镁水与氯化钙反应过程中反应温度、反应时间、镁钙浓度比、重镁水浓度以及搅拌速度对碳酸钙晶须形貌的影响。通过单因素实验得出了最佳工艺条件: 温度40 ℃、反应时间2 h、镁钙浓度比6∶1、重镁水浓度0.14 mol/L、搅拌速度150 r/min。在此条件下, 制得了长度为40~65 μm、直径为0.6~1.5 μm、长径比为25~45的文石型碳酸钙晶须。

贻贝是广泛分布于全球水域的物种, 从近海海域到深海热液、 冷泉等极端环境。 贻贝分泌碳酸钙矿物形成介壳保护软体组织, 介壳是一种天然纳米复合材料, 具有优异的力学性能, 在生物材料、 组织工程以及仿生学等方面具有很好的应用前景, 已经成为国内外研究热点之一。 拉曼光谱是一种非破坏、 非接触及多组分同时测试的检测技术, 可以提供矿物成分信息。 利用共聚焦显微激光拉曼技术对不同环境下（台西南冷泉繁茂区、 Desmos热液区、 实验室养殖及大连近海海域）生长的贻贝介壳进行检测, 得到四种环境中生存的贻贝介壳珍珠层的拉曼光谱和介壳横截面局部区域的线扫趋势图及二维拉曼成像图。 基于实验结果得到以下结论, 四种环境中生存的贻贝介壳的棱柱层和珍珠层矿物为碳酸钙, 其中棱柱层矿物组成均为方解石, 拉曼测试方解石特征峰位于711和281 cm-1附近, 而介壳珍珠层虽然主要为碳酸钙, 但不同环境下生长的贻贝珍珠层的矿物组成存在一定差别: 大连近海贻贝珍珠层矿物为文石, 拉曼测试文石特征峰位于706和206 cm-1附近, 结晶程度差。 热液区生长以及实验室养殖贻贝珍珠层矿物也为文石, 特征峰位于706和206 cm-1附近, 但结晶程度相对较好。 台西南冷泉繁茂区贻贝珍珠层主要为文石（706和206 cm-1）, 并含少量方解石, 拉曼测试方解石特征峰位于711和281 cm-1附近。 通过对比四种环境中贻贝介壳的矿物组分以及相对分布, 结合生存环境的差异, 认为介壳矿物组成差异是贻贝应对深海冷泉、 热液不同理化环境的一种环境适应机制。 测试结果表明贻贝生长环境压力对珍珠层矿物组成有较大影响。 研究表明共聚焦显微拉曼光谱是一种快速、 高效的用于研究不同环境下生存的贻贝的介壳矿物组成的技术手段。 这为研究深海贻贝生命过程与适应机制提供了重要的参考资料。

为研究镁对方解石在高压条件下的相变行为和拉曼振动光谱的影响, 探索碳酸盐在地球深部的存在形式和物理化学性质, 结合金刚石压腔和激光拉曼光谱, 对具有不同镁含量的方解石开展高压实验研究。 实验选取天然无色透明冰洲石、 淡黄色半透明方解石脉和白色大理石作为研究对象, 利用ICP-AES测定冰洲石和方解石脉的成分为CaCO3; 大理石中Mg/(Mg+Ca)摩尔比为0.03, 其成分可简化为(Mg0.03Ca0.97)CO3。 每种方解石样品挑选两粒大小约为50~100×50×20 μm的颗粒放入金刚石压腔, 并在不同压力下进行相变过程观察和激光拉曼光谱测量。 实验结果显示, 常压下冰洲石和方解石脉样品的T1, T2, ν4和ν1拉曼振动频率分别为156.82, 283.55, 713.86和1 088.19 cm-1, 大理石样品的拉曼振动频率为158.15, 284.76, 715.07和1 089.20 cm-1, 表明方解石中含有3 mol%的MgCO3时会造成方解石的拉曼振动频率整体升高1 cm-1以上。 但是该变化幅度在不同压力下没有显著差别, 表明镁对方解石的拉曼振动频率随压力的变化速率(ν/p)没有明显影响。 冰洲石和方解石脉样品在1.5 GPa压力附近转变为方解石-Ⅱ, 并在2.0 GPa进一步变为方解石-Ⅲ或Ⅲb; 相比之下含有3 mol%的MgCO3的大理石则是在2.4和3.7 GPa时才转变为方解石-Ⅱ和方解石-Ⅲ。 假设镁对方解石相变压力的影响是线性的, 即方解石向方解石-Ⅱ和方解石-Ⅲ/Ⅲb的相变压力随MgCO3含量的增加以0.30和0.57 GPa·mol%-1的速率升高, 当MgCO3含量达到50 mol%时, 方解石向方解石-Ⅱ和方解石-Ⅲ/Ⅲb的相变压力将分别为16.5和30.5 GPa, 这与白云石向白云石-Ⅱ和白云石-Ⅲ的相变压力吻合。 结合前人关于方解石中MnCO3含量对矿物相变压力和拉曼光谱影响的研究结果, 发现当方解石中部分Ca2+被具有不同半径和质量的离子(如Mg2+, Mn2+等)替代以后, 阳离子与CO2-3之间以及CO2-3内部C—O化学键长度和强度都会发生改变, 从而引起矿物结构稳定性以及拉曼振动频率的明显变化; 并且两种阳离子之间半径差别越大, 该影响效果越明显。 因此, 在研究高温高压条件下方解石的相变行为和拉曼光谱时, 矿物中Mg和Mn等杂质元素对矿物结构稳定性和拉曼振动频率的影响是必须考虑的关键因素之一。

研究了中心对称晶体中的三阶非线性频率转换, 并在这类晶体中实现了紫外激光的有效输出.确定了负单轴晶体的相位匹配角公式及相应的相位匹配角.选择带有离域共轭π键的冰洲石晶体和α-BBO晶体进行实验.以飞秒激光作为基频光, 在Ⅱ类相位匹配方式下, 利用α-BBO晶体获得了最高单脉冲能量为37.6 μJ的266 nm紫外三次谐波, 最高转换效率为2.5%; 利用冰洲石晶体获得了最高单脉冲能量为19.3 μJ的266 nm紫外三次谐波, 最高转换效率为1.25%.该研究验证了利用中心对称晶体的三阶非线性效应直接获得紫外激光的可行性和获得深紫外激光的可能性, 为紫外非线性晶体的探索和深紫外激光的研究提供参考.

利用热膨胀系数张量推导出光学方解石晶体(OCC)的任意方向热膨胀系数的表达式，确定了晶体的零膨胀方向；推导出晶体任意方向双折射率的温度变化量的表达式，并给出晶体中任意方向光程差随温度的变化关系。结果表明，对应方位角为65.35°或114.65°的方向是OCC的零膨胀方向；温度对晶体中光程差的影响随方位角的变化而变化，在垂直于晶体光轴的方向这种影响最大。