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礦物材料的特點(diǎn)、分類與應(yīng)用
來源:中國粉體技術(shù)網(wǎng)    更新時(shí)間:2013-07-21 15:29:31    瀏覽次數(shù):
 
        (中國粉體技術(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(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、無機(jī)非金屬材料及復(fù)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(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)來達(dá)到利用的目的,也就是通過改變礦物本身的微觀結(jié)構(gòu),來實(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,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,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,人類開發(fā)應(yīng)用的礦物材料不足60種,雖然現(xiàn)在已開發(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,礦物材料仍有著巨大的研究開發(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發(fā),可獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益,且隨著礦物材料的開發(fā)深度和廣度不同,所得到的經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)不一樣。比如散裝的膨潤土價(jià)格在30美元/t,而有機(jī)膨潤土的價(jià)格則為2400~3600美元/t,這種增值可達(dá)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(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(fā)利用的礦物材料越來越多,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)系來進(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)合材料又分為無機(jī)復(fù)合材料、無機(jī)與有機(jī)復(fù)合材料和混雜復(fù)合材料三類:
        (1)無機(jī)復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上無機(jī)礦物材料組成的體系,稱為無機(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)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機(jī)復(fù)合材料。
        (2)無機(jī)與有機(jī)復(fù)合材料是指將無機(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。混雜復(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)物理加工未改變原料成分和結(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-無機(jī)復(fù)合類(如礦物纖維增強(qiáng)的無機(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進(jìn)行分類。根據(jù)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(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,見表1。
表1 礦物材料的類型及其應(yīng)用
材料類型 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(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(10~1000μm)、超細(xì)粉(0.1~10μm)、超微細(xì)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(fù)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(jī)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(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(fù)合材料、儲(chǔ)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(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、凹凸棒石、地開石等 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(yè)油脂、制藥、化妝品、環(huán)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(jī)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(zhì)勘探等
黏結(jié)材料 膨潤土、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、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)只是一種無意識(shí)的應(yīng)用。隨著社會(huì)的發(fā)展,人類逐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。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0.8%,而人造的最耐高溫金屬材料在此條件下的質(zhì)量損失為12.9%,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)槿绱耍瑢?duì)天然礦物的開發(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)礦物材料的開發(fā)應(yīng)用程度已是衡量一個(gè)國家工業(yè)化程度的標(biāo)志。有人曾說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)人類將大量地開發(fā)應(yīng)用礦物材料。還有人說當(dāng)一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)中礦物材料的產(chǎn)值首次超過金屬礦物的產(chǎn)值時(shí),即是這個(gè)國家工業(yè)成熟的界線。礦物材料的產(chǎn)值超過金屬礦物產(chǎn)值的現(xiàn)象在英國、美國兩個(gè)國家中出現(xiàn)的時(shí)間為:英國在20世紀(jì)初,美國在1934年,到了20世紀(jì)70年代這兩個(gè)國家中礦物材料與金屬礦物的產(chǎn)值比達(dá)到2:1,到l986年達(dá)到3:1。世界范圍內(nèi),自20世紀(jì)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(chǎn)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(yīng)用領(lǐng)域幾乎已涉及所有的工業(yè)領(lǐng)域和部門,由于各領(lǐng)域中對(duì)所使用的礦物材料的種類和性質(zhì)的要求各不相同,因此有必要首先了解各領(lǐng)域中所使用的礦物材料的情況。目前,根據(jù)礦物材料被應(yīng)用的領(lǐng)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(nóng)用礦物材料、填料礦物材料、藥用礦物材料、環(huán)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(fā)達(dá)國家相比,我國對(duì)礦物材料的研究和開發(fā)時(shí)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(chǎn)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(diǎn),相當(dāng)數(shù)量的礦產(chǎn)資源儲(chǔ)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(fā)方面存在巨大的潛力,尤其是那些針對(duì)我國礦產(chǎn)瓷源特點(diǎn)的礦物材料研究開發(fā)工作,前景更加廣闊。
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