礦物材料的特點(diǎn)、分類與應(yīng)用

1、礦物材料的特點(diǎn)、分類與應(yīng)用中國(guó)粉體技術(shù)網(wǎng)/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(jīng)加工、改造所獲得的材料產(chǎn)品或是能直接作為材料應(yīng)用，并以利用其本身的主要物理、化學(xué)性質(zhì)為目的的礦物或巖石。這個(gè)含義主要包含了以下四個(gè)方面內(nèi)容：第一，能被直接利用或經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)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(guò)物理化學(xué)反應(yīng)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(biāo)主要是其自身具有的物理或化學(xué)性質(zhì)，而不局限于其中的個(gè)別化學(xué)元素。人們將材料分為金屬材料、有機(jī)材料、無(wú)機(jī)非金屬材料及復(fù)合材料。而將礦物分為金屬礦

2、物、非金屬礦物和燃料礦物三類。金屬礦物是指通過(guò)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(guò)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(xué)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(yīng)用的礦物。燃料礦物是指通過(guò)熱化學(xué)反應(yīng)，提取利用其中的熱能的礦物，如煤主要是通過(guò)燃燒后獲取其中的熱能。很明顯，在傳統(tǒng)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(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到利用的目的，也就是通過(guò)改變礦物本身的微觀結(jié)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)礦物的價(jià)值；而非金屬礦物則是利用了其宏觀結(jié)構(gòu)的技術(shù)物理特性，大多不改變礦物的微觀結(jié)構(gòu)。那么，根據(jù)礦物材料的定義可知，礦物

3、材料與目前應(yīng)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(shuō)，只要是不破壞目前應(yīng)用的金屬礦物或燃料礦物原有的微觀結(jié)構(gòu)，且保留其宏觀的技術(shù)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(shí)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(shuō)，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(diǎn)：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(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

4、化、污水處理、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)都非常復(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繁多，但是在20世紀(jì)初，人類開(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總數(shù)的比例仍然非常小，這也就是說(shuō)，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

5、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。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更能大顯身手的地方。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。比如散裝的膨潤(rùn)土價(jià)格在30美元t，而有機(jī)膨潤(rùn)土的價(jià)格則為24003600美元/t，這種增值可達(dá)80120倍。礦物材料的分類隨著礦物材料的研究，目

6、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(jié)構(gòu)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(lái)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(kāi)發(fā)利用的礦物材料越來(lái)越多，并且對(duì)同一功能所應(yīng)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(xiàn)出了它的局限性，這就要求有其他的分類方法來(lái)加以豐富和補(bǔ)充。于是就衍生了以下幾種分類方法：1、按照礦物材料的結(jié)構(gòu)分類這種分類方法是根據(jù)礦物材料中的物質(zhì)組成及其相互關(guān)系

7、來(lái)進(jìn)行分類。那么，按礦物材料的結(jié)構(gòu)通常將礦物材料分為單一礦物材料和復(fù)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(zhì)碳酸鈣和重質(zhì)碳酸鈣等。2）復(fù)合材料復(fù)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(fù)合材料。復(fù)合材料又分為無(wú)機(jī)復(fù)合材料、無(wú)機(jī)與有機(jī)復(fù)合材料和混雜復(fù)合材料三類： (1)無(wú)機(jī)復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上無(wú)機(jī)礦物材料組成的體系，稱為無(wú)機(jī)復(fù)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(fù)合材料中通常只要復(fù)合材料的基體是礦物材料，即使在復(fù)

8、合材料中使用了部分其他類材料，如有機(jī)或金屬材料作增強(qiáng)材料時(shí)也稱為無(wú)機(jī)復(fù)合材料。例如鋼纖維水泥和紙纖維石膏板等都屬于無(wú)機(jī)復(fù)合材料。 (2)無(wú)機(jī)與有機(jī)復(fù)合材料是指將無(wú)機(jī)礦物材料作為增強(qiáng)材料，與有機(jī)高分子聚合物材料復(fù)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(fù)合材料是指由兩種或兩種以上的普通復(fù)合材料構(gòu)成的體系。通常指由兩種不同特性的纖維作為增強(qiáng)材料混雜在基體中的材料?；祀s復(fù)合材料被認(rèn)為是復(fù)合材料的最新研究成果，也被稱為“復(fù)合材料的復(fù)合材料”。例如飛機(jī)用摩阻材料、航空和能源部門使用的高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料等就是混雜復(fù)合材料。2、按照礦物材料成分結(jié)構(gòu)和加工改造特點(diǎn)分類 這種方法將礦

9、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(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(如重鈣粉、滑石粉等)、裝飾類(如石材、寶石等)、光學(xué)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(yíng)養(yǎng)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(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(如珠光云母、改性碳酸鈣等)、成分改性類(如改性膨潤(rùn)土、氟化石墨、熟石膏等)以及結(jié)構(gòu)改性類(如膨脹珍珠巖、膨脹蛭石、膨脹石墨、巖棉等)等。 3） 人工

10、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(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(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)。3、按照礦物材料的功能分類 這種分類方法是根據(jù)礦物材料的使用性能和用途的不同來(lái)進(jìn)行分類。根據(jù)礦物材料的性能，如利

11、用礦物材料的電、磁、光、熱、摩擦、表面化學(xué)反應(yīng)、膠體性質(zhì)和填充密封性質(zhì)等不同性質(zhì)進(jìn)行劃分。通常將礦物材料分為九大類：力學(xué)功能材料、熱學(xué)功能材料、電與磁功能材料、光功能材料、吸附功能材料、黏結(jié)與覆蓋功能材料、填料與增強(qiáng)功能材料、裝飾功能材料和原子能核反應(yīng)堆功能材料等。根據(jù)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(nóng)用、藥用、環(huán)保、研磨、功能和寶石等多種應(yīng)用類型。韓躍新等在礦物材料一書中結(jié)合以上分類方法，以中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)工藝巖石學(xué)專業(yè)委員會(huì)的分類方法為主線，兼顧行業(yè)分類和成分分類。鄭水林按照礦物材料的功能與應(yīng)用進(jìn)行了如下分類，見(jiàn)表1。表1 礦物材料的類型及其應(yīng)用材料

12、類型礦物原料材料品種應(yīng)用領(lǐng)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(kāi)石、云母、硅灰石、硅線石、硅藻土、膨潤(rùn)土、皂石、海泡石、凹凸棒石、金紅石、長(zhǎng)石、鋯英砂、重晶石、石膏、石英、石棉、石榴石、電氣石、紅柱石、藍(lán)晶石、水鎂石、沸石、透閃石、浮石、霞石、蛋白石、金剮石等細(xì)粉(101000m)、超細(xì)粉(0.110m)、超微細(xì)粉或一維、二維納米粉(0.0010.1m)、表面改性粉體、高純度粉體、復(fù)合粉體、高長(zhǎng)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(jī)械、石化、電力、交通

13、、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(xué)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(zhǎng)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(jié)構(gòu)陶瓷、無(wú)機(jī)聚合物復(fù)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(dòng)器襯片、閘瓦、剎車帶(片)、石墨軸承、墊片、密封環(huán)、離合器面片、潤(rùn)滑劑(膏)、汽缸墊片、石棉橡膠板、石棉盤根等建材、建筑、機(jī)械、電力、交通、農(nóng)業(yè)、化工、輕工、航空航天、石油、微電子、地質(zhì)勘探、冶金、煤炭等熱學(xué)功

14、能材料石棉、石墨、石英、長(zhǎng)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(fù)合材料、儲(chǔ)熱材料、莫來(lái)石、堇青石、氧化鋯陶瓷等建材、建筑、冶金、化工、輕工、機(jī)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

15、性電阻、陶瓷半導(dǎo)體、石榴子石型鐵氧體、壓電材料(壓電水晶、自動(dòng)點(diǎn)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(jì)算機(jī)、機(jī)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(xué)玻璃、光導(dǎo)纖維、濾光片、偏振材料、熒光材料等通訊、電子、儀器儀表、機(jī)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(rùn)土、滑石等二氧化鈦(鈦白粉)、納米二氧化硅、氧化鋁、核反應(yīng)堆屏蔽材料、護(hù)膚霜、防護(hù)服、保暖衣、塑料薄膜、消光劑等核工業(yè)、軍工、化妝(護(hù)膚)品、民(軍)用服裝、農(nóng)業(yè)、涂料、皮革等催化材料沸石、高嶺土、硅藻土、海泡石、凹凸棒

16、石、地開(kāi)石等分子篩、催化劑、催化劑載體等石油、化工、農(nóng)藥、醫(yī)藥等吸附材料沸石、高嶺土、硅藻土、海泡石、凹凸棒石、地開(kāi)石、膨潤(rùn)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(yè)油脂、制藥、化妝品、環(huán)保、家用電器、化工等流變材料膨潤(rùn)土、皂石、海泡石、凹凸棒石、水云母等有機(jī)膨潤(rùn)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(zhì)勘探等黏結(jié)材料膨潤(rùn)土、海泡石、凹凸棒石、水云母等團(tuán)礦黏結(jié)劑、硅酸鈉、膠黏劑、鑄模、黏土基復(fù)合黏結(jié)劑等冶金、建筑、鑄造、

17、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(yè)、觀光業(yè)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(rùn)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(yè)、生物化學(xué)工業(yè)、畜牧業(yè)、化妝品等礦物材料的應(yīng)用礦物材料的應(yīng)用可以說(shuō)是最古老的。遠(yuǎn)在石器時(shí)代，人類就使用了天然礦物制作工具，但當(dāng)時(shí)只是一種無(wú)意識(shí)的應(yīng)用。隨著社會(huì)的發(fā)展，人類逐

18、漸掌握了金屬的冶煉技術(shù)，金屬材料的應(yīng)用也逐漸得到了發(fā)展，并漸漸超過(guò)了天然礦物的應(yīng)用，到了銅器時(shí)代和鐵器時(shí)代，已經(jīng)是金屬材料占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。但在近代，隨著研究手段的發(fā)展及人類對(duì)天然礦物性質(zhì)的深入了解，人們發(fā)現(xiàn)天然礦物有許多性質(zhì)是人造物品所無(wú)法與之相比的。如耐高溫材料，人類至今也未能造出可達(dá)到石墨礦的耐高溫性能的材料，石墨礦熔點(diǎn)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(zhì)量損失為08，而人造的最耐高溫金屬材料在此條件下的質(zhì)量損失為129，并且在2500時(shí)石墨的強(qiáng)度反而比室溫時(shí)的強(qiáng)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(yōu)于金屬材料的耐腐蝕抗氧化性能。正因?yàn)槿绱?，?duì)天然礦物的開(kāi)發(fā)和利用又重新受到了人們的重視，并獲得了迅速地發(fā)展?，F(xiàn)在對(duì)礦物材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用程度已是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)化程度的標(biāo)志。有人曾說(shuō)21世紀(jì)將是人類的第二個(gè)石器時(shí)代，這是指在21世紀(jì)人類