近期,國家印發了《建材工業發展規劃(2016-2020)》、《全國礦產資源規劃(2016-2020年)》、《“十三五”促進民族地區和人口較少民族發展規劃》和《“十三五”資源領域科技創新專項規劃》等一系列政策文件,鼓勵發展石墨、石英、膨潤土、高嶺土、硅藻土、云母等礦物材料產業,積極推動非金屬礦物材料產業基地建設。
一、礦物材料的概念
礦物材料是以天然礦物(主要是非金屬礦物)和巖石為主要原料,以利用其技術物理性能和化學性能為主要目的,經過必要的加工處理和制備后所獲得的材料產品,其最大的特點是保留礦物本身的主要特性。
礦物材料與目前應用的非金屬礦物相近,但又包含了金屬礦物和燃料礦物,即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,如赤鐵礦可直接用作鐵紅,此時的赤鐵礦即是礦物材料。
因此,礦物材料的范疇比目前的非金屬礦物的范疇大。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。
二、礦物材料的特點
1、多用性
一種礦物材料往往具有多種用途。如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、化妝品原料等多個領域。
2、多樣性
已知的天然礦物有3000多種,且每種礦物都具有各自獨特的物理化學性質和工藝性質,但現在已開發應用的礦物材料僅200多種,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、工藝美術等領域。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。
6、經濟效益顯著
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不一樣。
三、礦物材料的分類
1、按礦物材料中主要礦物名稱分類
根據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。
2、按礦物材料的結構分類
根據礦物材料中的物質組成及其相互關系來進行分類,通??煞譃閱我坏V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。
無機復合材料:指由兩種或兩種以上無機礦物材料組成的體系。如石棉水泥制品、微孔硅酸鈣和陶瓷材料等。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。如鋼纖維水泥和紙纖維石膏板等都屬于無機復合材料。
無機與有機復合材料: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。如火車合成閘瓦、石棉橡膠板和玻璃鋼制品等。
混雜復合材料: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。
3、按礦物材料成分結構和加工改造特點分類
(1)天然礦物材料
天然礦物材料是指直接利用其物理、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)。
4、按礦物材料的功能分類
根據礦物材料的使用性能和用途的不同來進行分類,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。
中國礦業大學(北京)鄭水林教授按照礦物材料的功能與應用進行了如下分類。
表1 礦物材料的類型及其應用
四、研究開發工藝
礦物材料的研究開發工藝包括礦物原料的加工、提純和處理以及對礦物的物理性質、化學性質、生產過程與加工工藝等方面的研究。
第一步:必須對礦物原料及其性質進行深人研究,即不斷改進礦物原料的質量和開發新的原料,并不斷發現新的有利用價值的礦物資源。
第二步:對礦物原料的加工工藝進行研究,即根據礦物原料的性質和特點以及對礦物材料性質的要求,設計合理的加工工藝。
第三步:對得到的最終礦物材料進行研究,包括礦物材料物質成分的研究、結構構造分析、各種物理和化學性質的測試等。通過這些研究工作獲得性能優異的礦物材料。
資料來源:礦物材料及其加工工藝、非金屬礦加工與應用
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