(中國粉體技術網/杜高翔) 礦物材料是指將天然礦物(主要是非金屬礦物)或巖石作為主要原料經加工、改造所獲得的材料產品或是能直接作為材料應用,并以利用其本身的主要物理、化學性質為目的的礦物或巖石。這個含義主要包含了以下四個方面內容:第一,能被直接利用或經過簡單的加工處理,即可被利用的天然礦物、巖石;第二,以天然的非金屬礦物、巖石為主要原料,通過物理化學反應制成的成品或半成品材料;第三,人工合成的礦物或巖石;第四,這些材料的直接利用目標主要是其自身具有的物理或化學性質,而不局限于其中的個別化學元素。
人們將材料分為金屬材料、有機材料、無機非金屬材料及復合材料。而將礦物分為金屬礦物、非金屬礦物和燃料礦物三類。
金屬礦物是指通過冶煉提取其中的金屬元素為最終利用目的的礦物,如鋁礦物是通過冶煉后提取利用其中的鋁元素。
非金屬礦物大部分是指直接利用其天然礦物原料所固有的物理化學特性的一些礦物,如高嶺土、石英等,這些都是直接用作材料應用的礦物。
燃料礦物是指通過熱化學反應,提取利用其中的熱能的礦物,如煤主要是通過燃燒后獲取其中的熱能。
很明顯,在傳統意義上,金屬礦物和燃料礦物的利用手段是以改變礦物原有的化學結構來達到利用的目的,也就是通過改變礦物本身的微觀結構,來實現礦物的價值;而非金屬礦物則是利用了其宏觀結構的技術物理特性,大多不改變礦物的微觀結構。那么,根據礦物材料的定義可知,礦物材料與目前應用的非金屬礦物非常相近,但是它又包含了金屬礦物和燃料礦物,也就是說,只要是不破壞目前應用的金屬礦物或燃料礦物原有的微觀結構,且保留其宏觀的技術物理特性而加以利用,則這種金屬礦物或燃料礦物也屬于礦物材料,比如赤鐵礦可直接用作鐵紅,此時的赤鐵礦就是礦物材料。所以,礦物材料的范疇比目前的非金屬礦物的范疇要大,不能等同看待。那么廣義地說,礦物材料包含了自然界中的各種礦物,包括金屬礦物、非金屬礦物和燃料礦物。
礦物材料具有以下特點:
1、多用性
礦物材料的多用性是指一種礦物材料能具有多種用途。比如以蒙脫石為主要成分的膨潤土可用于石油鉆井泥漿、鐵礦球團黏結劑、食用油的脫色劑、酒和飲料的澄清、石油的凈化、污水處理、農藥載體、防水密封、化妝品原料等各個行業。
2、多樣性
礦物材料的多樣性是指礦物的種類繁多以及礦物性質的復雜性。目前,已知的天然礦物有3000多種,它們的成分結構都非常復雜,而且每種礦物都具有各自獨特的物理化學性質和工藝性質。但縱使礦物材料的種類繁多,但是在20世紀初,人類開發應用的礦物材料不足60種,雖然現在已開發應用的礦物材料已經達到200多種,但是所占礦物材料種類總數的比例仍然非常小,這也就是說,礦物材料仍有著巨大的研究開發應用潛力。
3、儲量大,價格低廉
與人工合成材料相比較,礦物材料一般都具有儲藏量巨大,生產成本低的特點。
4、替代性強
礦物材料的替代性強是指那些具有相似性質的礦物在應用中可以相互替代。
5、應用領域廣
目前,礦物材料的應用幾乎已經涉及所有的工業領域,包括建材、化工、機械、冶金、輕紡、電子、農業、食品、醫藥、環保、寶石、工藝美術等各個領域和部門。并且,礦物材料尤其在那些需要抗高強、高速、耐高溫、輕質、絕緣、耐腐蝕等特殊要求的地方更能大顯身手的地方。
6、經濟效益顯著
由于礦物材料具有用途多、儲量大、價格低的特點,所以礦物材料的研究開發,可獲得巨大的經濟效益,且隨著礦物材料的開發深度和廣度不同,所得到的經濟效益也會不一樣。比如散裝的膨潤土價格在30美元/t,而有機膨潤土的價格則為2400~3600美元/t,這種增值可達80~120倍。
礦物材料的分類
隨著礦物材料的研究,目前人們將礦物材料的分類方法定為以下三種:第一,按照礦物材料中主要礦物名稱分類;第二,按照礦物材料的結構分類;第三,按照礦物材料的功能分類。其中按照礦物材料中主要礦物名稱分類是一種最古老的分類方法,是用礦物材料中最主要的礦物名稱來命名。如石棉材料、石墨材料、云母材料等,這是指在這些礦物材料中的主要礦物為石棉、石墨、云母等。但是由于被開發利用的礦物材料越來越多,并且對同一功能所應用的礦物材料常常又可以相互代用,因此這種分類方法已逐漸顯現出了它的局限性,這就要求有其他的分類方法來加以豐富和補充。于是就衍生了以下幾種分類方法:
1、按照礦物材料的結構分類
這種分類方法是根據礦物材料中的物質組成及其相互關系來進行分類。那么,按礦物材料的結構通常將礦物材料分為單一礦物材料和復合材料兩大類。
1)單一礦物材料
單一礦物材料是指那些主要由某一單一礦物所組成的材料,稱為單一礦物材料,如柔性石墨紙、石墨填料、碳纖維、石墨纖維、電氣云母片、鉆石、膨脹珍珠巖、輕質碳酸鈣和重質碳酸鈣等。
2)復合材料
復合材料是指由礦物材料與其他材料組成的混合體系,稱為復合材料。復合材料又分為無機復合材料、無機與有機復合材料和混雜復合材料三類:
(1)無機復合材料是指由兩種或兩種以上無機礦物材料組成的體系,稱為無機復合材料。如石棉水泥制品、微孔硅酸鈣和陶瓷材料等。但是需要指出的是,在復合材料中通常只要復合材料的基體是礦物材料,即使在復合材料中使用了部分其他類材料,如有機或金屬材料作增強材料時也稱為無機復合材料。例如鋼纖維水泥和紙纖維石膏板等都屬于無機復合材料。
(2)無機與有機復合材料是指將無機礦物材料作為增強材料,與有機高分子聚合物材料復合而成的一種體系。例如火車合成閘瓦、石棉橡膠板和玻璃鋼制品等。
(3)混雜復合材料是指由兩種或兩種以上的普通復合材料構成的體系。通常指由兩種不同特性的纖維作為增強材料混雜在基體中的材料?;祀s復合材料被認為是復合材料的最新研究成果,也被稱為“復合材料的復合材料”。例如飛機用摩阻材料、航空和能源部門使用的高強結構材料等就是混雜復合材料。
2、按照礦物材料成分結構和加工改造特點分類
這種方法將礦物材料分為以下四大類型:
1) 天然礦物材料。指直接利用其物理、化學性質的礦物或巖石,經物理加工未改變原料成分和結構。包括填料類(如重鈣粉、滑石粉等)、裝飾類(如石材、寶石等)、光學類(如水晶、螢石等)、中藥類(如芒硝、石膏等)、研磨材料類(如石榴子石、剛玉等)、保健營養類(如電氣石、麥飯石等)和隔熱材料類(如石棉繩、布等)等。
2) 改性礦物材料。礦物(巖石)進行超細、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構,包括表面改性類(如珠光云母、改性碳酸鈣等)、成分改性類(如改性膨潤土、氟化石墨、熟石膏等)以及結構改性類(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) 復合礦物材料。復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-有機復合類(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-無機復合類(如礦物纖維增強的無機膠凝材料、礦物為主骨架的建筑材料、絕熱保溫材料、電功能材料等)。
3、按照礦物材料的功能分類
這種分類方法是根據礦物材料的使用性能和用途的不同來進行分類。根據礦物材料的性能,如利用礦物材料的電、磁、光、熱、摩擦、表面化學反應、膠體性質和填充密封性質等不同性質進行劃分。通常將礦物材料分為九大類:力學功能材料、熱學功能材料、電與磁功能材料、光功能材料、吸附功能材料、黏結與覆蓋功能材料、填料與增強功能材料、裝飾功能材料和原子能核反應堆功能材料等。根據礦物材料的用途,可將礦物材料分為耐火、保溫、絕緣、陶瓷、建材、化工、填料、農用、藥用、環保、研磨、功能和寶石等多種應用類型。
韓躍新等在《礦物材料》一書中結合以上分類方法,以中國硅酸鹽學會工藝巖石學專業委員會的分類方法為主線,兼顧行業分類和成分分類。
鄭水林按照礦物材料的功能與應用進行了如下分類,見表1。
表1 礦物材料的類型及其應用
材料類型 |
礦物原料 |
材料品種 |
應用領域 |
功能粉體材料 |
方解石、大理石、白堊、滑石、葉蠟石、伊利石、石墨、高嶺土、地開石、云母、硅灰石、硅線石、硅藻土、膨潤土、皂石、海泡石、凹凸棒石、金紅石、長石、鋯英砂、重晶石、石膏、石英、石棉、石榴石、電氣石、紅柱石、藍晶石、水鎂石、沸石、透閃石、浮石、霞石、蛋白石、金剮石等 |
細粉(10~1000μm)、超細粉(0.1~10μm)、超微細粉或一維、二維納米粉(0.001~0.1μm)、表面改性粉體、高純度粉體、復合粉體、高長徑比針狀粉體、大徑厚比片狀粉體、多孔隙粉體等 |
塑料、橡膠、膠黏劑、化纖、油漆、涂料、陶瓷、玻璃、耐火材料、保溫隔熱材料、阻燃劑、膠凝材料、造紙、機械、石化、電力、交通、微電子、冶金、建材、飲料、儀器、藥品、飼料、航空航天、土壤改良、廢水、廢氣處理等 |
力學功能材料 |
石棉、石膏、石墨、花崗巖、大理巖、石英巖、鋯英砂、高嶺土、長石、金剛石、石榴石、云母、滑石、硅灰石、透閃石、石灰石、硅藻土、燧石、蛋白石等 |
石棉水泥制品、硅酸鈣板、纖維石膏板、石料、石材、結構陶瓷、無機/聚合物復合材料(上下水管、塑鋼門窗等)、金剛石(刀具、鉆頭、砂輪、研磨膏)、磨料、襯里材料、制動器襯片、閘瓦、剎車帶(片)、石墨軸承、墊片、密封環、離合器面片、潤滑劑(膏)、汽缸墊片、石棉橡膠板、石棉盤根等 |
建材、建筑、機械、電力、交通、農業、化工、輕工、航空航天、石油、微電子、地質勘探、冶金、煤炭等 |
熱學功能材料 |
石棉、石墨、石英、長石、金剛石、蛭石、硅藻土、海泡石、凹凸棒石、水鎂石、珍珠巖、云母、滑石、高嶺土、硅灰石、沸石、金紅石、鋯英砂、石灰石、自云石、鋁土礦等 |
石棉布、片、板、巖棉、玻璃棉、礦棉吸聲板、泡沫石棉、泡沫玻璃、蛭石防火隔熱板、硅藻土磚、膨脹蛭石、膨脹珍珠巖、微孔硅鈣板、玻璃微珠、保溫涂料、耐火材料、鎂碳磚、碳/石墨復合材料、儲熱材料、莫來石、堇青石、氧化鋯陶瓷等 |
建材、建筑、冶金、化工、輕工、機械、電力、交通、航空航天、石油、煤炭等 |
電磁功能材料 |
石墨、石英、金剛石、蛭石、云母、滑石、高嶺土、金紅石、電氣石、鐵石榴石等 |
碳-石墨電極、電刷、膠體石墨、氟化石墨制品、電極糊、熱敏電阻、電池、非線性電阻、陶瓷半導體、石榴子石型鐵氧體、壓電材料(壓電水晶、自動點火元件等)、云母電容器、云母紙、云母板、電瓷、封裝陶瓷等 |
電力、微電子、通訊、計算機、機械、航空、航天、航海等 |
光功能材料 |
水晶、冰洲石、螢石等 |
偏光、折光、聚光鏡片、光學玻璃、光導纖維、濾光片、偏振材料、熒光材料等 |
通訊、電子、儀器儀表、機械、航空、航天、輕工等 |
吸波與屏蔽材料 |
金紅石、電氣石、石英、高嶺土、石墨、重晶石、膨潤土、滑石等 |
二氧化鈦(鈦白粉)、納米二氧化硅、氧化鋁、核反應堆屏蔽材料、護膚霜、防護服、保暖衣、塑料薄膜、消光劑等 |
核工業、軍工、化妝(護膚)品、民(軍)用服裝、農業、涂料、皮革等 |
催化材料 |
沸石、高嶺土、硅藻土、海泡石、凹凸棒石、地開石等 |
分子篩、催化劑、催化劑載體等 |
石油、化工、農藥、醫藥等 |
吸附材料 |
沸石、高嶺土、硅藻土、海泡石、凹凸棒石、地開石、膨潤土、皂石、珍珠巖、蛋白土、石墨、滑石等 |
助濾劑、脫色劑、干燥劑、除臭劑、殺(抗)菌劑、水處理劑、空氣凈化劑、油污染處理劑、核廢料處理劑等 |
啤酒、飲料、食用油、食品、工業油脂、制藥、化妝品、環保、家用電器、化工等 |
流變材料 |
膨潤土、皂石、海泡石、凹凸棒石、水云母等 |
有機膨潤土、觸變劑、防沉劑、增稠劑、凝膠劑、流平劑、鉆井泥漿等 |
各種油漆、涂料、黏合劑、清洗劑、采油、地質勘探等 |
黏結材料 |
膨潤土、海泡石、凹凸棒石、水云母等 |
團礦黏結劑、硅酸鈉、膠黏劑、鑄模、黏土基復合黏結劑等 |
冶金、建筑、鑄造、輕工等 |
裝飾材料 |
大理石、花崗巖、硯石、云母、葉蠟石、蛋白石、水晶、石榴石、橄欖石、瑪瑙、玉石、輝石、孔雀石、冰洲石、琥珀石、綠松石、金剛石、月光石等 |
裝飾石材、珠光云母、彩石、各種寶玉石、觀賞石等 |
建筑、建材、涂料、皮革、化妝品、珠寶業、觀光業等 |
生物功能材料 |
沸石、麥飯石、高嶺土、硅藻土、海泡石、凹凸棒石、膨潤土、皂石、珍珠巖、蛋白土、滑石、電氣石、碳酸鈣等 |
藥品及保健品、藥物載體、飼料添加劑、殺(抗)菌劑、吸附劑、化妝品添加劑 |
制藥業、生物化學工業、畜牧業、化妝品等 |
礦物材料的應用
礦物材料的應用可以說是最古老的。遠在石器時代,人類就使用了天然礦物制作工具,但當時只是一種無意識的應用。隨著社會的發展,人類逐漸掌握了金屬的冶煉技術,金屬材料的應用也逐漸得到了發展,并漸漸超過了天然礦物的應用,到了銅器時代和鐵器時代,已經是金屬材料占絕對優勢。但在近代,隨著研究手段的發展及人類對天然礦物性質的深入了解,人們發現天然礦物有許多性質是人造物品所無法與之相比的。如耐高溫材料,人類至今也未能造出可達到石墨礦的耐高溫性能的材料,石墨礦熔點為3 850℃,汽化溫度為4 500℃,在7 000℃的超高溫條件下加熱l0s的質量損失為0.8%,而人造的最耐高溫金屬材料在此條件下的質量損失為12.9%,并且在2500℃時石墨的強度反而比室溫時的強度提高一倍。又比如耐腐蝕抗氧化性能方面,許多天然礦物也大大優于金屬材料的耐腐蝕抗氧化性能。正因為如此,對天然礦物的開發和利用又重新受到了人們的重視,并獲得了迅速地發展?,F在對礦物材料的開發應用程度已是衡量一個國家工業化程度的標志。有人曾說21世紀將是人類的第二個石器時代,這是指在21世紀人類將大量地開發應用礦物材料。還有人說當一個國家的經濟中礦物材料的產值首次超過金屬礦物的產值時,即是這個國家工業成熟的界線。礦物材料的產值超過金屬礦物產值的現象在英國、美國兩個國家中出現的時間為:英國在20世紀初,美國在1934年,到了20世紀70年代這兩個國家中礦物材料與金屬礦物的產值比達到2:1,到l986年達到3:1。世界范圍內,自20世紀50年代開始,礦物材料的消耗量每十年增長50%~60%,目前年總產值超過800億美元,其中各國的出口量約300億美元,年增長率約3%。
礦物材料的應用領域幾乎已涉及所有的工業領域和部門,由于各領域中對所使用的礦物材料的種類和性質的要求各不相同,因此有必要首先了解各領域中所使用的礦物材料的情況。目前,根據礦物材料被應用的領域不同,礦物材料主要可分為礦物保溫材料、絕緣礦物材料、陶瓷礦物材料、建筑礦物材料、化工礦物原料、農用礦物材料、填料礦物材料、藥用礦物材料、環保用礦物材料、研磨礦物材料、寶玉石礦物材料和功能礦物材料等。
與發達國家相比,我國對礦物材料的研究和開發時間較晚,前年出口額約6億美元,僅占世界出口額的2%,且大多為未加工的原材料。就我國的礦產資源而言,我國的礦物資源種類繁多,為資源品種大國,且有自身的特點,相當數量的礦產資源儲量居于世界前列,如鎢、稀土等礦物,因此,在礦物材料的研究和開發方面存在巨大的潛力,尤其是那些針對我國礦產瓷源特點的礦物材料研究開發工作,前景更加廣闊。
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