第3章　礦物材料

一、基本概念

1.什么是礦物材料？

礦物材料指以天然礦物或巖石為主要原料經(jīng)加工、改造所獲得的材料或能直接應(yīng)用其物理、化學(xué)性質(zhì)的礦物或巖石。礦物材料是具有一定功能的材料，如填料、顏料、摩擦材料、密封材料、保溫隔熱材料、電功能材料、吸附催化材料、環(huán)保材料、膠凝與流變材料、聚合物/納米黏土復(fù)合材料或建筑裝飾材料等。目前，礦物材料大多是以非金屬礦物或巖石為原料制備而成，因此很多情況下也被稱(chēng)為“無(wú)機(jī)非金屬礦物材料”。

2.礦物材料的特點(diǎn)是什么？

礦物材料的特點(diǎn)可歸納如下。

（1）多用性　礦物材料的多用性是指一種礦物材料具有多種用途。比如以蒙脫石為主要成分的膨潤(rùn)土可用于石油鉆井泥漿、鐵礦球團(tuán)黏結(jié)劑、食用油的脫色劑、酒和飲料的澄清、石油的凈化、污水的處理、農(nóng)藥載體、防水密封、化妝品原料等各個(gè)行業(yè)。

（2）多樣性　礦物材料的多樣性是指礦物的種類(lèi)繁多以及礦物性質(zhì)的復(fù)雜性。目前，已知的天然礦物有3000多種，它們的成分結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，而且每種礦物都具有各自獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)和工藝性質(zhì)。但縱使礦物材料的種類(lèi)繁多，但是在20世紀(jì)初，人類(lèi)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的礦物材料不足60種，雖然現(xiàn)在已開(kāi)發(fā)應(yīng)用的礦物材料已經(jīng)達(dá)到200多種，但是所占礦物材料種類(lèi)總數(shù)的比例仍然非常小，所以礦物材料仍有著巨大的研究開(kāi)發(fā)應(yīng)用潛力。

（3）儲(chǔ)量大，價(jià)格低廉　與人工合成材料相比較，礦物材料一般都具有儲(chǔ)藏量巨大、生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)。

（4）替代性強(qiáng)　礦物材料的替代性強(qiáng)是指那些具有相似性質(zhì)的礦物在應(yīng)用中可以相互替代。

（5）應(yīng)用領(lǐng)域廣　目前，礦物材料的應(yīng)用幾乎已經(jīng)涉及所有的工業(yè)領(lǐng)域，包括建材、化工、機(jī)械、冶金、輕紡、電子、農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥、環(huán)保、寶石、工藝美術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域和部門(mén)。并且，礦物材料尤其在那些需要抗高強(qiáng)、高速、耐高溫、輕質(zhì)、絕緣、耐腐蝕等特殊要求的地方具有更大的應(yīng)用。

（6）經(jīng)濟(jì)效益顯著　由于礦物材料具有用途多、儲(chǔ)量大、價(jià)格低的特點(diǎn)，所以礦物材料的研究開(kāi)發(fā)，可獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。且隨著礦物材料的開(kāi)發(fā)深度和廣度不同，所得到的經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)不一樣。

3.礦物材料的基本性質(zhì)有哪些？

礦物材料的基本性質(zhì)包括礦物材料的光學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、電磁學(xué)性質(zhì)和表面性質(zhì)等。

（1）光學(xué)性質(zhì)　礦物材料的光學(xué)性質(zhì)是指礦物性質(zhì)中與光有關(guān)的性質(zhì)，包括顏色、折射率、光澤、白度、透明度、發(fā)光性、反射性等，如寶石材料要求具有美麗的顏色、紙張?zhí)盍弦缶哂懈叩陌锥取Ｋ^光澤度是指物質(zhì)表面對(duì)光的反射量。

（2）力學(xué)性質(zhì)　礦物材料的力學(xué)性質(zhì)是指礦物在外力作用下所表現(xiàn)出來(lái)的各種物理性質(zhì)，包括礦物的密度、硬度、耐磨性、解理、機(jī)械形變、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等。

（3）熱學(xué)性質(zhì)和電磁學(xué)性質(zhì)　礦物材料的熱學(xué)性質(zhì)和電磁學(xué)性質(zhì)是指礦物在受熱狀態(tài)中或處于電磁場(chǎng)中時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的各種性質(zhì)，包括導(dǎo)熱性、膨脹性、耐熱性、磁性、導(dǎo)電性、介電性、壓電性、焦電性等。

（4）表面性質(zhì)　礦物材料的表面性質(zhì)是指礦物材料顆粒的各種表面性質(zhì)，主要包括礦物顆粒的比表面積、表面能、吸附性、表面電性、潤(rùn)濕性等。

（5）親水性和憎水性　水可以在材料表面鋪展開(kāi)，即說(shuō)明該材料表面可以被水浸潤(rùn)，此種性質(zhì)稱(chēng)為親水性，具備此種性質(zhì)的材料稱(chēng)為親水性材料。若水不能在材料表面上鋪展開(kāi)，即不能被浸潤(rùn)，則稱(chēng)為憎水性，該材料稱(chēng)為憎水性材料。

（6）吸濕性　吸濕性是指材料在空氣中吸收水蒸氣的性質(zhì)，用含水率表示。即材料中所含水的質(zhì)量與材料本身質(zhì)量的百分比稱(chēng)為含水率。材料吸濕或干燥至與空氣溫度相平衡時(shí)的含水率稱(chēng)為平衡含水率。建筑材料在正常使用狀態(tài)下，均處于平衡含水狀態(tài)。

（7）耐久性　材料抵抗各種破壞因素或腐蝕介質(zhì)的長(zhǎng)期作用，保持其原有的主要性質(zhì)的能力稱(chēng)為材料的耐久性。材料的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和用途不同，對(duì)耐久性的要求也不同，耐久性一般包括材料的抗?jié)B性、抗凍性、耐腐蝕性、抗老化性、耐溶蝕性、耐光性、耐磨性等。

4.礦物材料如何分類(lèi)？

礦物材料按生產(chǎn)方式進(jìn)行分類(lèi)，即按礦物材料工程進(jìn)行分類(lèi)，可分為熔漿冷凝型材料、成型燒結(jié)型材料和骨科膠凝型材料三種類(lèi)型。

根據(jù)礦物材料成分結(jié)構(gòu)和加工改造特點(diǎn)，可將礦物材料分為四大類(lèi)型。

（1）天然礦物材料　指直接利用其物理、化學(xué)性質(zhì)的礦物或巖石，經(jīng)物理加工未改變?cè)铣煞趾徒Y(jié)構(gòu)。包括填料類(lèi)（如重鈣粉、滑石粉等）、裝飾類(lèi)（如石材、寶石等）、光學(xué)類(lèi)（如水晶、螢石等）、中藥類(lèi)（如芒硝、石膏等）、研磨材料（如石榴子石、剛玉等）、保健營(yíng)養(yǎng)類(lèi)（如電氣石、麥飯石等）和隔熱材料類(lèi)（如石棉繩、布等）等。

（2）改性礦物材料　礦物（巖石）進(jìn)行超細(xì)、超純改型、改性等加工改造后，改變或部分改變了原料的成分或結(jié)構(gòu)，包括表面改性類(lèi)（如珠光云母、改性碳酸鈣等）、成分改性類(lèi)（如改性膨潤(rùn)土、氟化石墨、熟石膏等）以及結(jié)構(gòu)改性類(lèi)（如膨脹珍珠巖、膨脹蛭石、膨脹石墨、巖棉等）等。

（3）人工礦物材料　這是模擬天然礦物或巖石生成的原理采用人工合成的礦物材料。包括人工晶體（如人造水晶、人造金剛石、人造寶石、礦物晶須等）、多孔材料（如合成沸石、微孔硅酸鈣）、納米礦物粉體材料（如納米碳酸鈣、納米氧化鋅等）等。

（4）復(fù)合礦物材料　復(fù)合礦物材料是具有不同相組成的人工合成礦物材料，包括礦物-有機(jī)復(fù)合類(lèi)（如石棉、蛭石、硅灰石、云母等與高分子材料合成的摩擦材料、密封材料、絕緣材料等）以及礦物-無(wú)機(jī)復(fù)合類(lèi)（如礦物纖維增強(qiáng)的無(wú)機(jī)膠凝材料、礦物為主骨架的建筑材料、絕熱保溫材料、電功能材料等）。

根據(jù)礦物材料的性能和用途，可將礦物材料分為耐火、保溫、絕緣、陶瓷、建材、化工、填料、農(nóng)用、藥用、環(huán)保、研磨、功能和寶石等多種應(yīng)用類(lèi)型。

5.礦物材料的用途有哪些？

礦物材料廣泛應(yīng)用于化工、機(jī)械、能源、汽車(chē)、輕工、食品加工、冶金、建材等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)以及航空航天、電子信息、新材料等為代表的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和環(huán)境保護(hù)與生態(tài)建設(shè)等領(lǐng)域。

以電子信息、航空航天、海洋開(kāi)發(fā)、新材料和新能源為代表的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)與礦物材料密切相關(guān)。例如，石墨、云母、石英、鋯英石、金紅石基礦物材料等與電子信息產(chǎn)業(yè)有關(guān)；石墨、重晶石、膨潤(rùn)土、石英基礦物材料等與新能源開(kāi)發(fā)有關(guān)；沸石、麥飯石、硅藻土、凹凸棒石、海泡石、膨潤(rùn)土、蛋白土、珍珠巖、高嶺土基礦物材料等與生化產(chǎn)業(yè)有關(guān)；石墨、石棉、云母、石英等與航空航天產(chǎn)業(yè)有關(guān)。

化工、機(jī)械、能源、汽車(chē)、輕工、冶金、建材等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)與礦物材料也密切相關(guān)。現(xiàn)代造紙工業(yè)大量使用高純超細(xì)的重質(zhì)碳酸鈣、高嶺土、滑石等高白度礦物顏料和填料；工程塑料、塑鋼門(mén)窗等高分子基復(fù)合材料的興起每年需要數(shù)以百萬(wàn)噸計(jì)的超細(xì)和活性碳酸鈣、高嶺土、滑石、針狀硅灰石、云母、透閃石、石英、水鎂石以及氫氧化鎂、氫氧化鋁等礦物填料；汽車(chē)面漆、乳膠漆等高檔油漆以及防腐蝕和輻射、道路發(fā)光等特種涂料需要大量的超細(xì)和高白度碳酸鈣、超細(xì)和高白度煅燒高嶺土、云母粉、珠光云母、著色云母、超細(xì)石英粉、針狀超細(xì)硅灰石、有機(jī)膨潤(rùn)土等礦物顏料、填料和觸變劑；現(xiàn)代冶金工業(yè)需要高品質(zhì)的以白云石、石灰石、菱鎂礦等為主要成分的精煉渣、保護(hù)渣等輔料；新型建材和防火、節(jié)能產(chǎn)品的發(fā)展需要大量的石膏板材與飾面板、花崗巖和大理巖板材與異形材，以硅藻土、超細(xì)石英粉、石灰粉等為原料的微孔硅鈣板、膨脹珍珠巖及硅藻土等保溫隔熱材料、石棉制品以及人造石材；石化工業(yè)使用具有特定孔徑分布、活性和選擇性好的沸石與高嶺土催化劑、載體以及以膨潤(rùn)土、凹凸棒石、海泡石等為原料的活性白土、有機(jī)黏土及膠凝材料；機(jī)電工業(yè)需要以碎云母為原料制造的云母紙和云母板絕緣材料、高性能的柔性石墨密封材料、石墨盤(pán)根、石棉基板材和墊片；汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展需要大量以石棉、石墨、針狀硅灰石等非金屬礦為基料的摩擦材料以及以滑石、云母、硅灰石、透閃石、超細(xì)碳酸鈣等為無(wú)機(jī)填料的工程塑料和底漆。化學(xué)纖維工業(yè)的發(fā)展需要超細(xì)電氣石、石英、云母等功能無(wú)機(jī)填料以生產(chǎn)出有利于人類(lèi)健康的功能纖維。

環(huán)境保護(hù)和生態(tài)建設(shè)直接關(guān)系到人類(lèi)的生存和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。許多礦物，如硅藻土、沸石、蒙脫石、凹凸棒石、電氣石等經(jīng)過(guò)加工可賦予選擇性吸附有害及各種有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物的功能，而且本身不產(chǎn)生二次污染，可以用來(lái)制備新型環(huán)境保護(hù)材料；膨潤(rùn)土、珍珠巖、蛭石等還可用于固沙和改良土壤；超細(xì)水鎂石用作高聚物基復(fù)合材料的阻燃填料不僅可以阻燃，而且環(huán)境友好，不產(chǎn)生毒煙。

6.礦物材料的主要研究?jī)?nèi)容有哪些？

礦物材料的主要研究?jī)?nèi)容包括礦物材料物理化學(xué)、礦物材料的結(jié)構(gòu)與性能、非金屬礦物材料加工工藝與裝備、礦物材料的應(yīng)用和非金屬材料的環(huán)境服役行為與失效機(jī)理。

（1）礦物材料物理化學(xué)　礦物材料物理化學(xué)是指礦物材料及其原料的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、熱力學(xué)性質(zhì)，材料加工或制備過(guò)程的物理化學(xué)原理等。

（2）礦物材料的結(jié)構(gòu)與性能　礦物材料的結(jié)構(gòu)與性能是指礦物材料的物相、微觀結(jié)構(gòu)、孔結(jié)構(gòu)、顆粒大小與形狀、比表面積和材料的熱、電、磁、聲、力、化、流變等性能，以及材料的結(jié)構(gòu)、性能（包括使用性能）表征及相互關(guān)系等。

（3）非金屬礦物材料加工工藝與裝備　非金屬礦物材料加工工藝與裝備是指礦物材料的加工工藝和設(shè)備、原料配方、原料性質(zhì)及工藝條件對(duì)非金屬礦物材料結(jié)構(gòu)和性能的影響及礦物材料制備過(guò)程的自動(dòng)控制等，其核心技術(shù)主要是原料配方、復(fù)合技術(shù)和加工工藝與設(shè)備。

（4）礦物材料的應(yīng)用　礦物材料的應(yīng)用是指應(yīng)用性能、應(yīng)用配方、相關(guān)應(yīng)用工藝與設(shè)備以及檢測(cè)、評(píng)價(jià)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)及檢測(cè)設(shè)備等。

（5）非金屬礦物材料的環(huán)境服役行為與失效機(jī)理　非金屬礦物材料的環(huán)境服役與失效機(jī)理是指材料損傷、失效的診斷和檢測(cè)的原理與方法，材料損傷、失效過(guò)程的環(huán)境影響因素，各影響因素的作用規(guī)律、失效過(guò)程的動(dòng)力學(xué)，控制材料損傷、失效演化過(guò)程的物化原理及實(shí)用技術(shù)，材料使用可靠性、壽命預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)的方法和技術(shù)以及材料實(shí)際服役環(huán)境的實(shí)驗(yàn)?zāi)M技術(shù)方法等。

7.礦物材料加工的目的是什么？

礦物材料加工的目的是通過(guò)一定的技術(shù)、工藝、設(shè)備生產(chǎn)出滿足市場(chǎng)要求的具有一定粒徑和粒徑分布、純度或化學(xué)成分、物理化學(xué)性質(zhì)、表面或界面性質(zhì)的粉體材料以及一定尺寸、形狀、力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能、生物功能等的功能性產(chǎn)品。

8.礦物材料的加工技術(shù)主要有哪些？

礦物材料的加工技術(shù)主要包括以下兩個(gè)技術(shù)。

（1）顆粒制備與處理技術(shù)　包括礦石的粉碎與分級(jí)技術(shù)、選礦提純技術(shù)、礦物（粉體）的表面或界面改性技術(shù)、過(guò)濾干燥技術(shù)、造粒技術(shù)等。

（2）材料的復(fù)合及加工技術(shù)　包括礦物材料的原料配方技術(shù)、加工工藝與設(shè)備等。

9.什么是表面處理改性技術(shù)？礦物粉體材料表面改性的主要研究?jī)?nèi)容有哪些？

表面處理改性是指利用各類(lèi)材料或助劑，采用物理、化學(xué)等方法對(duì)粉體表面進(jìn)行處理，根據(jù)應(yīng)用的需要有目的地改善、改變粉體表面的物理化學(xué)性質(zhì)或物理技術(shù)性能，如表面晶體結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)、表面能、表面潤(rùn)濕性、電性、表面吸附和反應(yīng)特性，以滿足現(xiàn)代新材料、新工藝和新技術(shù)發(fā)展的需要。

礦物粉體材料表面改性的主要研究?jī)?nèi)容包括：表面改性工藝和設(shè)備，如不同種類(lèi)及不同用途無(wú)機(jī)粉體材料的表面改性工藝條件及改性劑配方，表面改性劑的合成和表面改性設(shè)備，表面改性效果的表征方法等；表面改性劑，如表面改性劑的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)、合成方法、性能和使用方法；表面改性機(jī)理，如表面改性的原理、表面改性過(guò)程的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)、表面或界面性質(zhì)與改性方法及改性劑的關(guān)系、改性劑與粉體表面的作用機(jī)理和作用模型等；表面改性后無(wú)機(jī)粉體的應(yīng)用性能研究。

10.表面處理改性的方法主要有哪些？

表面處理改性的方法主要有包覆處理改性、沉淀反應(yīng)包膜、表面化學(xué)包覆、機(jī)械化學(xué)改性、膠囊化處理、接枝改性等。