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矿物材料的特点、分类与应用
来源:中国粉体技术网    更新时间:2013-07-21 15:29:31    浏览次数:
 
       (中国粉体技术网/杜高翔) 矿物材料是指将天然矿物(主要是非金属矿物)或岩石作为主要原料经加工、改造所获得的材料产品或是能直接作为材料应用,并以利用其本身的主要物理、化学性质为目的的矿物或岩石。这个含义主要包含了以下四个方面内容:第一,能被直接利用或经过简单的加工处理,即可被利用的天然矿物、岩石;第二,以天然的非金属矿物、岩石为主要原料,通过物理化学反应制成的成品或半成品材料;第三,人工合成的矿物或岩石;第四,这些材料的直接利用目标主要是其自身具有的物理或化学性质,而不局限于其中的个别化学元素。
        人们将材料分为金属材料、有机材料、无机非金属材料及复合材料。而将矿物分为金属矿物、非金属矿物和燃料矿物三类。
        金属矿物是指通过冶炼提取其中的金属元素为最终利用目的的矿物,如铝矿物是通过冶炼后提取利用其中的铝元素。
        非金属矿物大部分是指直接利用其天然矿物原料所固有的物理化学特性的一些矿物,如高岭土、石英等,这些都是直接用作材料应用的矿物。
       燃料矿物是指通过热化学反应,提取利用其中的热能的矿物,如煤主要是通过燃烧后获取其中的热能。
        很明显,在传统意义上,金属矿物和燃料矿物的利用手段是以改变矿物原有的化学结构来达到利用的目的,也就是通过改变矿物本身的微观结构,来实现矿物的价值;而非金属矿物则是利用了其宏观结构的技术物理特性,大多不改变矿物的微观结构。那么,根据矿物材料的定义可知,矿物材料与目前应用的非金属矿物非常相近,但是它又包含了金属矿物和燃料矿物,也就是说,只要是不破坏目前应用的金属矿物或燃料矿物原有的微观结构,且保留其宏观的技术物理特性而加以利用,则这种金属矿物或燃料矿物也属于矿物材料,比如赤铁矿可直接用作铁红,此时的赤铁矿就是矿物材料。所以,矿物材料的范畴比目前的非金属矿物的范畴要大,不能等同看待。那么广义地说,矿物材料包含了自然界中的各种矿物,包括金属矿物、非金属矿物和燃料矿物。
 
矿物材料具有以下特点:
1、多用性
        矿物材料的多用性是指一种矿物材料能具有多种用途。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,它们的成分结构都非常复杂,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,这也就是说,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更能大显身手的地方。
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。比如散装的膨润土价格在30美元/t,而有机膨润土的价格则为2400~3600美元/t,这种增值可达80~120倍。
 
矿物材料的分类
         随着矿物材料的研究,目前人们将矿物材料的分类方法定为以下三种:第一,按照矿物材料中主要矿物名称分类;第二,按照矿物材料的结构分类;第三,按照矿物材料的功能分类。其中按照矿物材料中主要矿物名称分类是一种最古老的分类方法,是用矿物材料中最主要的矿物名称来命名。如石棉材料、石墨材料、云母材料等,这是指在这些矿物材料中的主要矿物为石棉、石墨、云母等。但是由于被开发利用的矿物材料越来越多,并且对同一功能所应用的矿物材料常常又可以相互代用,因此这种分类方法已逐渐显现出了它的局限性,这就要求有其他的分类方法来加以丰富和补充。于是就衍生了以下几种分类方法:
1、按照矿物材料的结构分类
        这种分类方法是根据矿物材料中的物质组成及其相互关系来进行分类。那么,按矿物材料的结构通常将矿物材料分为单一矿物材料和复合材料两大类。
1)单一矿物材料
        单一矿物材料是指那些主要由某一单一矿物所组成的材料,称为单一矿物材料,如柔性石墨纸、石墨填料、碳纤维、石墨纤维、电气云母片、钻石、膨胀珍珠岩、轻质碳酸钙和重质碳酸钙等。
2)复合材料
        复合材料是指由矿物材料与其他材料组成的混合体系,称为复合材料。复合材料又分为无机复合材料、无机与有机复合材料和混杂复合材料三类:
    (1)无机复合材料是指由两种或两种以上无机矿物材料组成的体系,称为无机复合材料。如石棉水泥制品、微孔硅酸钙和陶瓷材料等。但是需要指出的是,在复合材料中通常只要复合材料的基体是矿物材料,即使在复合材料中使用了部分其他类材料,如有机或金属材料作增强材料时也称为无机复合材料。例如钢纤维水泥和纸纤维石膏板等都属于无机复合材料。
    (2)无机与有机复合材料是指将无机矿物材料作为增强材料,与有机高分子聚合物材料复合而成的一种体系。例如火车合成闸瓦、石棉橡胶板和玻璃钢制品等。
    (3)混杂复合材料是指由两种或两种以上的普通复合材料构成的体系。通常指由两种不同特性的纤维作为增强材料混杂在基体中的材料。混杂复合材料被认为是复合材料的最新研究成果,也被称为“复合材料的复合材料”。例如飞机用摩阻材料、航空和能源部门使用的高强结构材料等就是混杂复合材料。
2、按照矿物材料成分结构和加工改造特点分类
这种方法将矿物材料分为以下四大类型:
    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)、研磨材料类(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)。
3、按照矿物材料的功能分类   
        这种分类方法是根据矿物材料的使用性能和用途的不同来进行分类。根据矿物材料的性能,如利用矿物材料的电、磁、光、热、摩擦、表面化学反应、胶体性质和填充密封性质等不同性质进行划分。通常将矿物材料分为九大类:力学功能材料、热学功能材料、电与磁功能材料、光功能材料、吸附功能材料、黏结与覆盖功能材料、填料与增强功能材料、装饰功能材料和原子能核反应堆功能材料等。根据矿物材料的用途,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。
        韩跃新等在《矿物材料》一书中结合以上分类方法,以中国硅酸盐学会工艺岩石学专业委员会的分类方法为主线,兼顾行业分类和成分分类。
        郑水林按照矿物材料的功能与应用进行了如下分类,见表1。
表1 矿物材料的类型及其应用
材料类型 矿物原料 材料品种 应用领域
功能粉体材料 方解石、大理石、白垩、滑石、叶蜡石、伊利石、石墨、高岭土、地开石、云母、硅灰石、硅线石、硅藻土、膨润土、皂石、海泡石、凹凸棒石、金红石、长石、锆英砂、重晶石、石膏、石英、石棉、石榴石、电气石、红柱石、蓝晶石、水镁石、沸石、透闪石、浮石、霞石、蛋白石、金剐石等 细粉(10~1000μm)、超细粉(0.1~10μm)、超微细粉或一维、二维纳米粉(0.001~0.1μm)、表面改性粉体、高纯度粉体、复合粉体、高长径比针状粉体、大径厚比片状粉体、多孔隙粉体等 塑料、橡胶、胶黏剂、化纤、油漆、涂料、陶瓷、玻璃、耐火材料、保温隔热材料、阻燃剂、胶凝材料、造纸、机械、石化、电力、交通、微电子、冶金、建材、饮料、仪器、药品、饲料、航空航天、土壤改良、废水、废气处理等
力学功能材料 石棉、石膏、石墨、花岗岩、大理岩、石英岩、锆英砂、高岭土、长石、金刚石、石榴石、云母、滑石、硅灰石、透闪石、石灰石、硅藻土、燧石、蛋白石等 石棉水泥制品、硅酸钙板、纤维石膏板、石料、石材、结构陶瓷、无机/聚合物复合材料(上下水管、塑钢门窗等)、金刚石(刀具、钻头、砂轮、研磨膏)、磨料、衬里材料、制动器衬片、闸瓦、刹车带(片)、石墨轴承、垫片、密封环、离合器面片、润滑剂(膏)、汽缸垫片、石棉橡胶板、石棉盘根等 建材、建筑、机械、电力、交通、农业、化工、轻工、航空航天、石油、微电子、地质勘探、冶金、煤炭等
热学功能材料 石棉、石墨、石英、长石、金刚石、蛭石、硅藻土、海泡石、凹凸棒石、水镁石、珍珠岩、云母、滑石、高岭土、硅灰石、沸石、金红石、锆英砂、石灰石、自云石、铝土矿等 石棉布、片、板、岩棉、玻璃棉、矿棉吸声板、泡沫石棉、泡沫玻璃、蛭石防火隔热板、硅藻土砖、膨胀蛭石、膨胀珍珠岩、微孔硅钙板、玻璃微珠、保温涂料、耐火材料、镁碳砖、碳/石墨复合材料、储热材料、莫来石、堇青石、氧化锆陶瓷等 建材、建筑、冶金、化工、轻工、机械、电力、交通、航空航天、石油、煤炭等
电磁功能材料 石墨、石英、金刚石、蛭石、云母、滑石、高岭土、金红石、电气石、铁石榴石等 碳-石墨电极、电刷、胶体石墨、氟化石墨制品、电极糊、热敏电阻、电池、非线性电阻、陶瓷半导体、石榴子石型铁氧体、压电材料(压电水晶、自动点火元件等)、云母电容器、云母纸、云母板、电瓷、封装陶瓷等 电力、微电子、通讯、计算机、机械、航空、航天、航海等
光功能材料 水晶、冰洲石、萤石等 偏光、折光、聚光镜片、光学玻璃、光导纤维、滤光片、偏振材料、荧光材料等 通讯、电子、仪器仪表、机械、航空、航天、轻工等
吸波与屏蔽材料 金红石、电气石、石英、高岭土、石墨、重晶石、膨润土、滑石等 二氧化钛(钛白粉)、纳米二氧化硅、氧化铝、核反应堆屏蔽材料、护肤霜、防护服、保暖衣、塑料薄膜、消光剂等 核工业、军工、化妆(护肤)品、民(军)用服装、农业、涂料、皮革等
催化材料 沸石、高岭土、硅藻土、海泡石、凹凸棒石、地开石等 分子筛、催化剂、催化剂载体等 石油、化工、农药、医药等
吸附材料 沸石、高岭土、硅藻土、海泡石、凹凸棒石、地开石、膨润土、皂石、珍珠岩、蛋白土、石墨、滑石等 助滤剂、脱色剂、干燥剂、除臭剂、杀(抗)菌剂、水处理剂、空气净化剂、油污染处理剂、核废料处理剂等 啤酒、饮料、食用油、食品、工业油脂、制药、化妆品、环保、家用电器、化工等
流变材料 膨润土、皂石、海泡石、凹凸棒石、水云母等 有机膨润土、触变剂、防沉剂、增稠剂、凝胶剂、流平剂、钻井泥浆等 各种油漆、涂料、黏合剂、清洗剂、采油、地质勘探等
黏结材料 膨润土、海泡石、凹凸棒石、水云母等 团矿黏结剂、硅酸钠、胶黏剂、铸模、黏土基复合黏结剂等 冶金、建筑、铸造、轻工等
装饰材料 大理石、花岗岩、砚石、云母、叶蜡石、蛋白石、水晶、石榴石、橄榄石、玛瑙、玉石、辉石、孔雀石、冰洲石、琥珀石、绿松石、金刚石、月光石等 装饰石材、珠光云母、彩石、各种宝玉石、观赏石等 建筑、建材、涂料、皮革、化妆品、珠宝业、观光业等
生物功能材料 沸石、麦饭石、高岭土、硅藻土、海泡石、凹凸棒石、膨润土、皂石、珍珠岩、蛋白土、滑石、电气石、碳酸钙等 药品及保健品、药物载体、饲料添加剂、杀(抗)菌剂、吸附剂、化妆品添加剂 制药业、生物化学工业、畜牧业、化妆品等
 

矿物材料的应用
 
        矿物材料的应用可以说是最古老的。远在石器时代,人类就使用了天然矿物制作工具,但当时只是一种无意识的应用。随着社会的发展,人类逐渐掌握了金属的冶炼技术,金属材料的应用也逐渐得到了发展,并渐渐超过了天然矿物的应用,到了铜器时代和铁器时代,已经是金属材料占绝对优势。但在近代,随着研究手段的发展及人类对天然矿物性质的深入了解,人们发现天然矿物有许多性质是人造物品所无法与之相比的。如耐高温材料,人类至今也未能造出可达到石墨矿的耐高温性能的材料,石墨矿熔点为3 850℃,汽化温度为4 500℃,在7 000℃的超高温条件下加热l0s的质量损失为0.8%,而人造的最耐高温金属材料在此条件下的质量损失为12.9%,并且在2500℃时石墨的强度反而比室温时的强度提高一倍。又比如耐腐蚀抗氧化性能方面,许多天然矿物也大大优于金属材料的耐腐蚀抗氧化性能。正因为如此,对天然矿物的开发和利用又重新受到了人们的重视,并获得了迅速地发展。现在对矿物材料的开发应用程度已是衡量一个国家工业化程度的标志。有人曾说21世纪将是人类的第二个石器时代,这是指在21世纪人类将大量地开发应用矿物材料。还有人说当一个国家的经济中矿物材料的产值首次超过金属矿物的产值时,即是这个国家工业成熟的界线。矿物材料的产值超过金属矿物产值的现象在英国、美国两个国家中出现的时间为:英国在20世纪初,美国在1934年,到了20世纪70年代这两个国家中矿物材料与金属矿物的产值比达到2:1,到l986年达到3:1。世界范围内,自20世纪50年代开始,矿物材料的消耗量每十年增长50%~60%,目前年总产值超过800亿美元,其中各国的出口量约300亿美元,年增长率约3%。
        矿物材料的应用领域几乎已涉及所有的工业领域和部门,由于各领域中对所使用的矿物材料的种类和性质的要求各不相同,因此有必要首先了解各领域中所使用的矿物材料的情况。目前,根据矿物材料被应用的领域不同,矿物材料主要可分为矿物保温材料、绝缘矿物材料、陶瓷矿物材料、建筑矿物材料、化工矿物原料、农用矿物材料、填料矿物材料、药用矿物材料、环保用矿物材料、研磨矿物材料、宝玉石矿物材料和功能矿物材料等。
        与发达国家相比,我国对矿物材料的研究和开发时间较晚,前年出口额约6亿美元,仅占世界出口额的2%,且大多为未加工的原材料。就我国的矿产资源而言,我国的矿物资源种类繁多,为资源品种大国,且有自身的特点,相当数量的矿产资源储量居于世界前列,如钨、稀土等矿物,因此,在矿物材料的研究和开发方面存在巨大的潜力,尤其是那些针对我国矿产瓷源特点的矿物材料研究开发工作,前景更加广阔。
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