第3章　矿物材料

一、基本概念

1.什么是矿物材料？

矿物材料指以天然矿物或岩石为主要原料经加工、改造所获得的材料或能直接应用其物理、化学性质的矿物或岩石。矿物材料是具有一定功能的材料，如填料、颜料、摩擦材料、密封材料、保温隔热材料、电功能材料、吸附催化材料、环保材料、胶凝与流变材料、聚合物/纳米黏土复合材料或建筑装饰材料等。目前，矿物材料大多是以非金属矿物或岩石为原料制备而成，因此很多情况下也被称为“无机非金属矿物材料”。

2.矿物材料的特点是什么？

矿物材料的特点可归纳如下。

（1）多用性　矿物材料的多用性是指一种矿物材料具有多种用途。比如以蒙脱石为主要成分的膨润土可用于石油钻井泥浆、铁矿球团黏结剂、食用油的脱色剂、酒和饮料的澄清、石油的净化、污水的处理、农药载体、防水密封、化妆品原料等各个行业。

（2）多样性　矿物材料的多样性是指矿物的种类繁多以及矿物性质的复杂性。目前，已知的天然矿物有3000多种，它们的成分结构非常复杂，而且每种矿物都具有各自独特的物理化学性质和工艺性质。但纵使矿物材料的种类繁多，但是在20世纪初，人类开发应用的矿物材料不足60种，虽然现在已开发应用的矿物材料已经达到200多种，但是所占矿物材料种类总数的比例仍然非常小，所以矿物材料仍有着巨大的研究开发应用潜力。

（3）储量大，价格低廉　与人工合成材料相比较，矿物材料一般都具有储藏量巨大、生产成本低的特点。

（4）替代性强　矿物材料的替代性强是指那些具有相似性质的矿物在应用中可以相互替代。

（5）应用领域广　目前，矿物材料的应用几乎已经涉及所有的工业领域，包括建材、化工、机械、冶金、轻纺、电子、农业、食品、医药、环保、宝石、工艺美术等各个领域和部门。并且，矿物材料尤其在那些需要抗高强、高速、耐高温、轻质、绝缘、耐腐蚀等特殊要求的地方具有更大的应用。

（6）经济效益显著　由于矿物材料具有用途多、储量大、价格低的特点，所以矿物材料的研究开发，可获得巨大的经济效益。且随着矿物材料的开发深度和广度不同，所得到的经济效益也会不一样。

3.矿物材料的基本性质有哪些？

矿物材料的基本性质包括矿物材料的光学性质、力学性质、热学性质、电磁学性质和表面性质等。

（1）光学性质　矿物材料的光学性质是指矿物性质中与光有关的性质，包括颜色、折射率、光泽、白度、透明度、发光性、反射性等，如宝石材料要求具有美丽的颜色、纸张填料要求具有高的白度。所谓光泽度是指物质表面对光的反射量。

（2）力学性质　矿物材料的力学性质是指矿物在外力作用下所表现出来的各种物理性质，包括矿物的密度、硬度、耐磨性、解理、机械形变、抗压强度、抗折强度、抗拉强度等。

（3）热学性质和电磁学性质　矿物材料的热学性质和电磁学性质是指矿物在受热状态中或处于电磁场中时所表现出来的各种性质，包括导热性、膨胀性、耐热性、磁性、导电性、介电性、压电性、焦电性等。

（4）表面性质　矿物材料的表面性质是指矿物材料颗粒的各种表面性质，主要包括矿物颗粒的比表面积、表面能、吸附性、表面电性、润湿性等。

（5）亲水性和憎水性　水可以在材料表面铺展开，即说明该材料表面可以被水浸润，此种性质称为亲水性，具备此种性质的材料称为亲水性材料。若水不能在材料表面上铺展开，即不能被浸润，则称为憎水性，该材料称为憎水性材料。

（6）吸湿性　吸湿性是指材料在空气中吸收水蒸气的性质，用含水率表示。即材料中所含水的质量与材料本身质量的百分比称为含水率。材料吸湿或干燥至与空气温度相平衡时的含水率称为平衡含水率。建筑材料在正常使用状态下，均处于平衡含水状态。

（7）耐久性　材料抵抗各种破坏因素或腐蚀介质的长期作用，保持其原有的主要性质的能力称为材料的耐久性。材料的组成、结构、性质和用途不同，对耐久性的要求也不同，耐久性一般包括材料的抗渗性、抗冻性、耐腐蚀性、抗老化性、耐溶蚀性、耐光性、耐磨性等。

4.矿物材料如何分类？

矿物材料按生产方式进行分类，即按矿物材料工程进行分类，可分为熔浆冷凝型材料、成型烧结型材料和骨科胶凝型材料三种类型。

根据矿物材料成分结构和加工改造特点，可将矿物材料分为四大类型。

（1）天然矿物材料　指直接利用其物理、化学性质的矿物或岩石，经物理加工未改变原料成分和结构。包括填料类（如重钙粉、滑石粉等）、装饰类（如石材、宝石等）、光学类（如水晶、萤石等）、中药类（如芒硝、石膏等）、研磨材料（如石榴子石、刚玉等）、保健营养类（如电气石、麦饭石等）和隔热材料类（如石棉绳、布等）等。

（2）改性矿物材料　矿物（岩石）进行超细、超纯改型、改性等加工改造后，改变或部分改变了原料的成分或结构，包括表面改性类（如珠光云母、改性碳酸钙等）、成分改性类（如改性膨润土、氟化石墨、熟石膏等）以及结构改性类（如膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、膨胀石墨、岩棉等）等。

（3）人工矿物材料　这是模拟天然矿物或岩石生成的原理采用人工合成的矿物材料。包括人工晶体（如人造水晶、人造金刚石、人造宝石、矿物晶须等）、多孔材料（如合成沸石、微孔硅酸钙）、纳米矿物粉体材料（如纳米碳酸钙、纳米氧化锌等）等。

（4）复合矿物材料　复合矿物材料是具有不同相组成的人工合成矿物材料，包括矿物-有机复合类（如石棉、蛭石、硅灰石、云母等与高分子材料合成的摩擦材料、密封材料、绝缘材料等）以及矿物-无机复合类（如矿物纤维增强的无机胶凝材料、矿物为主骨架的建筑材料、绝热保温材料、电功能材料等）。

根据矿物材料的性能和用途，可将矿物材料分为耐火、保温、绝缘、陶瓷、建材、化工、填料、农用、药用、环保、研磨、功能和宝石等多种应用类型。

5.矿物材料的用途有哪些？

矿物材料广泛应用于化工、机械、能源、汽车、轻工、食品加工、冶金、建材等传统产业以及航空航天、电子信息、新材料等为代表的高新技术产业和环境保护与生态建设等领域。

以电子信息、航空航天、海洋开发、新材料和新能源为代表的高新技术产业与矿物材料密切相关。例如，石墨、云母、石英、锆英石、金红石基矿物材料等与电子信息产业有关；石墨、重晶石、膨润土、石英基矿物材料等与新能源开发有关；沸石、麦饭石、硅藻土、凹凸棒石、海泡石、膨润土、蛋白土、珍珠岩、高岭土基矿物材料等与生化产业有关；石墨、石棉、云母、石英等与航空航天产业有关。

化工、机械、能源、汽车、轻工、冶金、建材等传统产业的技术进步和产业升级与矿物材料也密切相关。现代造纸工业大量使用高纯超细的重质碳酸钙、高岭土、滑石等高白度矿物颜料和填料；工程塑料、塑钢门窗等高分子基复合材料的兴起每年需要数以百万吨计的超细和活性碳酸钙、高岭土、滑石、针状硅灰石、云母、透闪石、石英、水镁石以及氢氧化镁、氢氧化铝等矿物填料；汽车面漆、乳胶漆等高档油漆以及防腐蚀和辐射、道路发光等特种涂料需要大量的超细和高白度碳酸钙、超细和高白度煅烧高岭土、云母粉、珠光云母、着色云母、超细石英粉、针状超细硅灰石、有机膨润土等矿物颜料、填料和触变剂；现代冶金工业需要高品质的以白云石、石灰石、菱镁矿等为主要成分的精炼渣、保护渣等辅料；新型建材和防火、节能产品的发展需要大量的石膏板材与饰面板、花岗岩和大理岩板材与异形材，以硅藻土、超细石英粉、石灰粉等为原料的微孔硅钙板、膨胀珍珠岩及硅藻土等保温隔热材料、石棉制品以及人造石材；石化工业使用具有特定孔径分布、活性和选择性好的沸石与高岭土催化剂、载体以及以膨润土、凹凸棒石、海泡石等为原料的活性白土、有机黏土及胶凝材料；机电工业需要以碎云母为原料制造的云母纸和云母板绝缘材料、高性能的柔性石墨密封材料、石墨盘根、石棉基板材和垫片；汽车工业的发展需要大量以石棉、石墨、针状硅灰石等非金属矿为基料的摩擦材料以及以滑石、云母、硅灰石、透闪石、超细碳酸钙等为无机填料的工程塑料和底漆。化学纤维工业的发展需要超细电气石、石英、云母等功能无机填料以生产出有利于人类健康的功能纤维。

环境保护和生态建设直接关系到人类的生存和经济社会的可持续发展。许多矿物，如硅藻土、沸石、蒙脱石、凹凸棒石、电气石等经过加工可赋予选择性吸附有害及各种有机和无机污染物的功能，而且本身不产生二次污染，可以用来制备新型环境保护材料；膨润土、珍珠岩、蛭石等还可用于固沙和改良土壤；超细水镁石用作高聚物基复合材料的阻燃填料不仅可以阻燃，而且环境友好，不产生毒烟。

6.矿物材料的主要研究内容有哪些？

矿物材料的主要研究内容包括矿物材料物理化学、矿物材料的结构与性能、非金属矿物材料加工工艺与装备、矿物材料的应用和非金属材料的环境服役行为与失效机理。

（1）矿物材料物理化学　矿物材料物理化学是指矿物材料及其原料的物理性质、化学性质、热力学性质，材料加工或制备过程的物理化学原理等。

（2）矿物材料的结构与性能　矿物材料的结构与性能是指矿物材料的物相、微观结构、孔结构、颗粒大小与形状、比表面积和材料的热、电、磁、声、力、化、流变等性能，以及材料的结构、性能（包括使用性能）表征及相互关系等。

（3）非金属矿物材料加工工艺与装备　非金属矿物材料加工工艺与装备是指矿物材料的加工工艺和设备、原料配方、原料性质及工艺条件对非金属矿物材料结构和性能的影响及矿物材料制备过程的自动控制等，其核心技术主要是原料配方、复合技术和加工工艺与设备。

（4）矿物材料的应用　矿物材料的应用是指应用性能、应用配方、相关应用工艺与设备以及检测、评价技术与标准及检测设备等。

（5）非金属矿物材料的环境服役行为与失效机理　非金属矿物材料的环境服役与失效机理是指材料损伤、失效的诊断和检测的原理与方法，材料损伤、失效过程的环境影响因素，各影响因素的作用规律、失效过程的动力学，控制材料损伤、失效演化过程的物化原理及实用技术，材料使用可靠性、寿命预测和评价的方法和技术以及材料实际服役环境的实验模拟技术方法等。

7.矿物材料加工的目的是什么？

矿物材料加工的目的是通过一定的技术、工艺、设备生产出满足市场要求的具有一定粒径和粒径分布、纯度或化学成分、物理化学性质、表面或界面性质的粉体材料以及一定尺寸、形状、力学性能、物理性能、化学性能、生物功能等的功能性产品。

8.矿物材料的加工技术主要有哪些？

矿物材料的加工技术主要包括以下两个技术。

（1）颗粒制备与处理技术　包括矿石的粉碎与分级技术、选矿提纯技术、矿物（粉体）的表面或界面改性技术、过滤干燥技术、造粒技术等。

（2）材料的复合及加工技术　包括矿物材料的原料配方技术、加工工艺与设备等。

9.什么是表面处理改性技术？矿物粉体材料表面改性的主要研究内容有哪些？

表面处理改性是指利用各类材料或助剂，采用物理、化学等方法对粉体表面进行处理，根据应用的需要有目的地改善、改变粉体表面的物理化学性质或物理技术性能，如表面晶体结构和官能团、表面能、表面润湿性、电性、表面吸附和反应特性，以满足现代新材料、新工艺和新技术发展的需要。

矿物粉体材料表面改性的主要研究内容包括：表面改性工艺和设备，如不同种类及不同用途无机粉体材料的表面改性工艺条件及改性剂配方，表面改性剂的合成和表面改性设备，表面改性效果的表征方法等；表面改性剂，如表面改性剂的种类、结构、合成方法、性能和使用方法；表面改性机理，如表面改性的原理、表面改性过程的热力学和动力学、表面或界面性质与改性方法及改性剂的关系、改性剂与粉体表面的作用机理和作用模型等；表面改性后无机粉体的应用性能研究。

10.表面处理改性的方法主要有哪些？

表面处理改性的方法主要有包覆处理改性、沉淀反应包膜、表面化学包覆、机械化学改性、胶囊化处理、接枝改性等。