矿物材料(部编)课件

矿物材料学矿物材料学绪论

绪论

矿物材料的定义与分类矿物材料的发展简史矿物材料的进展和作用矿物材料的展望矿物材料学及研究内容和任务矿物材料学绪论

矿物

由天然产出且具有特定的（但一般并非固定的）化学成分和内部晶体结构的均匀固体，通常由无机作用所形成。矿物是天然生成的。虽然矿物没有生命，但是经过漫长的地质历史时期﹑在自然界里慢慢形成。最近几十年来，人们模拟天然晶体生长的条件，在实验室或工厂里制造出来的人造晶体，如人造金刚石﹑人造压电石英等，这样的晶体人们通常称为“人造矿物”；每种矿物都有特定的化学成分。绝大多数矿物是由两种和两种以上的元素化合而成的，例如，石英是由硅元素的一个原子和氧元素的两个原子化合而成的二氧化硅（SiO2）。除此以外，还有少数矿物是由单质元素组成的。例如，金刚石和石墨均由碳（C）元素组成。矿物必须是均匀的固体。这意味着天然产出的气体和液体，液态的自然汞和水都不属于矿物，而自然存在的冰却属于矿物。作为矿物，还必须各部分都是均一的，像花岗岩，它是由钾长石、斜长石、石英及黑云母等多种互不相同的物质组成的，就不是矿物，而是岩石。矿物一般是由无机作用形成的。我们日常生活中常用的煤和石油，虽然是重要的矿产资源，但由于它们是有机作用所形成，且无一定的化学成分，石油还是液态的，所以它们不是矿物。矿物材料的定义与分类矿物的分类根据对矿物不同的研究目的、任务与要求，有三种分类法：工业分类、成因分类和晶体化学分类。

矿物依其成因可分为原生矿物和次生矿物两类。由地壳深处的岩浆冷凝而成的矿物，成为原生矿物，如：长石、云母等。由原生矿物经过化学变化（如变质作用和风化作用）形成新的矿物，成为次生矿物，如方解石、高岭石、蛇纹石等。形成岩石的矿物称为造岩矿物。形成矿物的地质作用

岩石组成了整个地壳，而岩石又是矿物的集合体，所以尽管矿物的种类很多，五彩缤纷，但从和岩石的成因关系来看，可以分为火成作用、沉积作用和变质作用三种成因类型。矿物材料学绪论矿物材料的定义与分类矿物材料学绪论矿物材料的定义与分类

矿物种是分类的基本单元。整个体系的级序依次为：大类--类--（亚类）--族--（亚族）--种--（亚种）在各家不同的分类方案中，大类、类和亚类的划分基本上相同，都是根据矿物的化学成分和化合物类型来划分的；各自最显著的特色主要反映在族的划分上。一般采用的分类（罗谷风等，1993）

I自然元素矿物

II硫化物及其类似化合物矿物

1．单硫化物及其类似化合物矿物

2．对硫化物及其类似化合物矿物

3．硫盐矿物

III卤化物矿物

1．氟化物矿物

2．氯化物矿物

IV氧化物和氢氧化物矿物

1．氧化物矿物

2．氢氧化物矿物

V含氧盐矿物

1．碳酸盐，硝酸盐和硼酸盐矿物

2．硫酸盐，钨酸盐，磷酸盐，砷酸盐和钒酸盐矿物

3．硅酸盐矿物

3．1岛状结构硅酸盐

3．2环状结构硅酸盐

3．3链状结构硅酸盐

3．4层状结构硅酸盐

3．5架状结构硅酸盐新Dana分类（1997年）

I自然元素矿物

II硫化物

III氧化物

1．简单氧化物和复杂氧化物

2．氢氧化物

IV卤化物

V碳酸盐

VI硝酸盐

VII硼酸盐

VIII磷酸盐

IX硫酸盐

X钨酸盐

XI硅酸盐矿物

1．孤立岛状硅酸盐矿物

2．多岛状硅酸盐矿物

3．环状硅酸盐矿物

4．链状硅酸盐矿物

5．层状硅酸盐矿物

6．架状硅酸盐矿物

7．非经典硅酸盐矿物矿物材料学绪论矿物材料的定义与分类分类体系分类依据举例：大类/单质和化合物类型及化学键/含氧酸盐矿物类/阴离子或络阴离子种类/硅酸盐矿物(亚类)/晶体结构类型/环状结构硅酸盐矿物族/晶体结构的阳离子性质/电气石族矿物(亚族)/阳离子种类/镁铁锂电气石矿物种/一定的成分和结构/铁电气石矿物亚种(异种、变种)/晶体结构相同，成分或物性稍异/镁电气石矿物矿物材料学绪论矿物材料的定义与分类第一大类自然元素矿物自然金自然硫金刚石石墨

第二大类硫化物及其类似化合物方铅矿闪锌矿辰砂黄铜矿辉锑矿雄黄雌黄辉钼矿毒砂黄铁矿

第三大类卤素化合物

第一类氟化物萤石

第二类氯化物石盐

第四大类氧化物和氢氧化物刚玉赤铁矿石英钙钛矿尖晶石水镁石金红石

第五大类含氧盐

第一类硝酸盐

第二类碳酸盐孔雀石方解石

第三类硫酸盐石膏重晶石

第四类铬酸盐

第五类钨酸盐和钼酸盐白钨矿

第六类磷酸盐、砷酸盐和钒酸盐磷灰石绿松石

第七类硅酸盐橄榄石红柱石矽线石蓝晶石符山石绿柱石电气石辉石角闪石云母绿泥石白榴石沸石绿帘石硬玉石榴石透辉石长石正长石

第八类硼酸盐

矿物材料学绪论矿物材料的定义与分类

自然硫自然银

自然铜自然金矿物材料学绪论矿物材料的定义与分类

辉钼矿红砷镍矿

黄铁矿辉铜矿矿物材料学绪论矿物材料的定义与分类金红石锡石赤铜矿褐铁矿矿物材料学绪论矿物材料的定义与分类

盐岩萤石矿物材料学绪论矿物材料的定义与分类方解石菱锌矿

孔雀石蓝铜矿矿物材料学绪论矿物材料的定义与分类矿物材料学绪论矿物材料的定义与分类电气石矿物材料学绪论矿物材料的定义与分类

材料

广义的材料，包括人们思想意识之外的所有物质。著名的材料学研究专家，中国科学院师昌绪院士认为：

材料就是用以制造有用物件的物质。狭义地说(材料科学所研究的)，材料是指人类社会可接受、能经济地制造有用器件（或物品）的固体物质。包括天然生成和人工合成的材料及由它们组合而成的复合材料。

钢铁材料

金属材料

非铁（有色）金属材料

传统陶瓷材料

陶瓷

新型（先进）陶瓷材料无机非金属材料

水泥

玻璃

矿物材料

材料通用塑料

塑料

工程塑料

有机高分子材料

合成纤维

橡胶

复合材料矿物材料学绪论矿物材料的定义与分类

材料的分类

材料的发展阶段

石器时代。公元前10万年，人类开始利用石材制造各种打猎和耕作的工具。

青铜器时代。公元前6000年，西亚出现了铜制品；公元前3000年，出现了铜合金（添加锡、铅的青铜）。越王勾践用的宝剑出土时，依然寒光逼人，证实了诗人“越民铸宝剑，出匣吐寒芒”的美誉。

铁器时代。公元前1500年，人类借助风箱，发明了在高温下用木炭还原优质铁矿石生产铁的方法。

水泥时代。公元元年，发现了高温烧制的陶器。

钢时代。到了17世纪，欧洲出现了高炉，煤炭代替了木炭，18世纪改为焦炭，以钢铁为结构材料的工业经济社会形成。矿物材料学绪论矿物材料的定义与分类电子时代。1883年，爱迪生发明了电灯泡，奠定了电子工业的基础。

计算机及信息时代。20世纪，计算机的出现，人类社会进入了贝尔的“后工业社会”、托夫勒的“第三次浪潮社会”、奈斯比特的“信息社会”、堺屋太一的“知识价值社会”、尼葛洛庞帝（Negroponte）的“数字化生存社会”。

……？矿物材料学绪论矿物材料的定义与分类矿物材料学绪论矿物材料的定义与分类矿物材料

广义地说，矿物材料是指可供直接或间接使用的固体矿物物质。广义的矿物材料包含的领域相当广，研究的内容相当多，与传统意义上的矿物材料有较大的差别。传统意义上的矿物材料可称之为狭义矿物材料。狭义的矿物材料是指由自然地质作用形成的、有物理、化学性质可供直接使用的、由矿物质组成的固体物质。狭义的矿物材料不包含作为原料使用的材料，不包含人工合成的矿物，不包含化学意义上的加工处理。

矿物的物理性质在国民经济中，矿物的物理性质有着广泛的应用，如利用刚玉的高硬度作为研磨材料；利用石英的压电性在电子工业中作振荡元件；重晶石因比密度大可作为钻井泥浆的加重剂。随着近代科学的发展，矿物广泛地进入了新的技术领域，尤其是尖端科学技术的发展，都需要具有某些特殊性能的矿物材料，如冰洲石因可获得偏振光而成为激光偏光材料；石墨因相对密度小、耐高温等特性，在航空、宇航工业作轻质材料。因此，研究矿物性能将大大促进国民经济和高科技的发展。矿物的物理性质取决于矿物本身的化学成分和内部结构。由于矿物都是晶体，因此，矿物的物理性质也就具有晶体所共有的均一性、异向性和对称性的特性。不同种矿物，由于成分和结构不同，物理性质各异，因此，可以借助物理性质的差异来识别矿物。同种矿物由于形成条件的不同，在物理性质上往往发生微细的变化，为此可为人们提供矿物成因的信息。

矿物的各种物理性质：矿物的力学性质；矿物的光学性质；矿物的磁学性质；矿物的放射性；矿物的电学性质。矿物材料学绪论矿物材料的定义与分类

矿物材料的分类

按晶体结构分类，可将矿物材料分为单晶和多晶材料。按岩石的成因分类，可分为火成岩、沉积岩和变质岩三类矿物材料。按化学组成分类，可分为自然元素矿物、卤化物、氧化物和氢氧化物、硫化物、硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、二氧化硅、硅酸盐、碳酸盐等等矿物材料。按形状和尺寸分类，可分为块状、层状、纤维和粉体矿物材料。典型的代表如花岗岩、云母、硅灰石、硅藻土等。按用途可分为体积矿物填料(主要利用矿物的体积，以降低成品的成本)、功能矿物材料(主要利用矿物的光、声、电、磁、热等功能性质)、结构矿物材料(主要利用矿物的力学性质)等等。并可根据具体用途进一步细分，如建筑材料、耐火材料、卫生材料等。矿物材料学绪论矿物材料的定义与分类

从材料的生产过程及生产过程中的物理化学变化分类，可分为熔浆型材料、烧结型材料和凝胶型材料。对应于熔浆型材料、烧结型材料和凝胶型材料，其典型的例子如玻璃材料、耐火材料和硅酸盐水泥等。矿物材料学绪论矿物材料的定义与分类矿物材料的发展简史

我国是世界上文化最悠久的国家之一，古代祖先很早就开始利用矿物，从事采矿事业，并在实践中累积了有关矿物学方面的知识。

在北京周口店所挖掘出的北京猿人时期的石器中，就已经使用石英、水晶、燧石等所制成的工具了。这些石器属于旧石器时代后期的文化遗物。此外，我国还在其他古代文化遗址中掘出大量的夏、商、周各代铜铸的钟、鼎、盘、彝及陶器等，说明了当时已经具备了很高的采炼水平。此外，根据史料，战国时代已知用铁，到西汉末年（约公元前100年）就有了完善的炼铁炉。汉朝以后，更是知道利用煤、石油、石盐、石膏等矿产资源。宋末以后，则已经普遍用煤。湖南香花岭通天庙附近的巨大古矿洞旁，刻有"明正德二年（1517）开凿"字佯，可见当时采矿规模的巨大。从我国古代的药物书籍中，可以见到矿物长期广泛地作力药物，供医疗之用。矿物材料学绪论

矿物材料的发展简史

我国有矿物记载的最古老的书籍是《山海经》。顾颉刚认为“《山海经》之作或在战国之初与春秋之末”。虽然其中对矿物的性质很少描述，但载有金、银、锡（白锡、黄锡、赤锡）、铜、白金等金属和磁铁矿、赤铜矿、文石、雄黄、碧玉（水碧、绿碧、普通碧玉）、玉（白玉、水玉、普通玉）、垩（白垩、黑垩、青垩）等十三种矿物名称，并列举了它们的产地。该书中山经部分比提奥弗拉斯特的《石头论》还要早。因而《山海经》乃是世界上载有矿物的最古老的著作。春秋后期至战国期间，管仲的弟子门人所著《管子》中，也曾述及了十余种矿物的名称。虽然对于矿物的性质并未叙述，但却提及了某些矿物在自然界的分布规律。如“上有丹朱者（指辰砂），下有黄金（铜和铁的硫化物），···。”，这和现代硫化矿床中矿物分布的理论是极为吻合的。矿物材料学绪论

矿物材料的发展简史

其他我国记载矿物最多的书籍就是历代的药物学书。至明李时珍所编著的《本草纲目》（1596年），则集其大成。他把药用矿物分为金、玉、石、卤四类，总称为金石部，共有矿物名称161个。其中许多矿物的名称仍为现在矿物学中所使用。他对矿物进行了比较详细的考证，不仅记述了矿物的特征及其鉴别的方法，并且还记述了产地和治病效用。从矿物学观点来看，这是我国古代记述矿物比较完整的书籍，因而李时珍不仅是我国古代伟大的药物学家，同时也是一位杰出的矿物学者。矿物材料学绪论

矿物材料的发展简史本草纲目

明末宋应星所著《天工开物》，记述了当时的各种矿产的开采、冶炼和铸造加工的方法，也曾记述了一些矿物，且对金属的比重已有研究。如“凡金质至重，每铜方寸重一两者，银照依增重三钱；银方寸重一两者，金照依增重二钱”。这与现代矿物学中所载铜、银、金比重之间的关系，颇为接近。我国自新中国成立以来，矿物学得到迅速发展。1957年发现我国第一个新矿物--香花石果。近年来在成因矿物学、矿物晶体化学、应用矿物学、粘土矿物学、宝石矿物学等方面陆续作出了不少研究成果。

矿物材料学绪论

矿物材料的发展简史天工开物商朝象尊夏代绿松石铜牌矿物材料学绪论

矿物材料的发展简史

矿物材料学绪论矿物材料的发展简史

人类对矿物从事有系统的科学研究，为时很短，可是对矿物的利用，则为时已久。根据考古学家的研究发现，史前的人类很早就已开始利用红色的赤铁矿和黑色的氧化锰，来作为绘画洞穴壁画。那些生活在石器时代人类，就已经知道利用燧石、石英、玉、铜、金来制作工具和从事交易。石器时代以后，人类除了利用自然金属，还学会开采矿石，冶炼金属，从而过渡到青铜和铁器时代。不过当时几乎没有文字，仅是口头传授累积的知识和经验，没有可能出现矿物的科学概念。

早期人类对矿物的利用和认识矿物材料学绪论

矿物材料的发展简史

在西方，最早用文字记载矿物并尝试将其分类的是希腊学者亚里斯多德和他的门人提奥弗拉斯特（Theophrastus）。提奥弗拉斯特还写了一本有关矿物学的专著《石头论》，他将矿物分为三类：金属，石头和土，并描述了16种矿物（主要是宝石）的形状。

由于中世纪陷于宗教统治，和自然现象有关的科学思想几乎完全停滞。在此期间，中亚细亚人阿尔-比鲁尼和伊布-辛对矿物作了不少记述。

十五世纪后半期欧洲文艺复兴时代开始，自然科学逐渐摆脱宗教的束缚而进入革命的发展阶段。到1556年，矿物学作为一门独立的研究领域出现是以阿格里科拉（GeorgiusAgricola，也称GeorgBauer）的著作《论冶金》（DeremetalicalibrisXII）为标志的。阿格里哥拉是位居住于德国约翰斯坦矿区的医生，在其所著的《论冶金》以及其他数册著作中，详细记叙了当时的采矿及冶金技术，而且根据自己的实际观察，全部记载了当时发现的矿物，并提出了矿物的性质，如颜色、比重、透明度、光泽、硬度、挠性和解理。阿格里科拉是目前应用的矿物记载法的首创者，可称为“矿物学始祖”的研究家。矿物材料学绪论

矿物材料的发展简史矿物材料学绪论

矿物材料的发展简史《论冶金》DeReMetallica

欧洲最早地全面论述矿冶技术的著作，出版于1556年，影响西方冶金业达两个世纪之久。全书共十二章，附有生动的木刻插图292幅，内容极为丰富，涉及矿物成因、采矿技术、矿井通风排水、职业病及其防护、矿石成分检测、冶炼方法及设备等方面。

《论冶金》可分为三个部分。第一部分为采矿，包括第一章至第六章，内容有：对矿业师的要求、矿山的建设、矿脉的成因、矿床的测量、各种金属及其矿物、采矿技术、采矿工具和设备、排水通风、矿山的职业病等。第二部分为选矿和冶炼，包括第七章至第十一章，内容有：矿石成分的检测、矿石破碎及煅烧、重力选矿、混汞法提取黄金、冶炼炉的建造、各种金属的冶炼工艺、收尘装置、金和银铜的分离、灰吹法和熔析法提银等。第三部分是第十二章，内容是：盐类、碱、明矾、矾石、硫黄、沥青、玻璃等制取方法。

十七世纪，作为矿物学组成部分而尚未发展为独立科学的结晶学，也在这一时期开始萌芽。丹麦学者斯丹诺（NielsStensen，其拉丁文名字为NicolasSteno）根据其在动植物生长方面的知识和对石英、赤铁矿这两种天然晶体形貌的研究，于1669年提出了一个普遍关系，即无论晶面的大小和形状如何，晶体的两个相同的晶面之间夹角总是恒等的。这一关系后来成为著名的Steno定律（面角守恒定律）。1780年，学者克兰乔（Carangeot）发明了接触测角仪。他的老师，法国学者罗美德利尔（RoméDeL‘Isle）就利用这种测角仪进行了二十多年的晶体测角工作，测量了500多种矿物晶体的形状，肯定了面角守恒定律的普遍意义。由于面角守恒定律的发现，人们才在晶体千变万化的复杂外形中找到了它们的初步规律。矿物材料学绪论

矿物材料的发展简史接触测角仪二圆测角仪

矿物材料学绪论

矿物材料的发展简史

自十九世纪后，化学开始对矿物学做出更多的贡献，使矿物领域里出现了两个发展方向，一是着重研究矿物晶体的几何形状，而另一着重研究矿物的化学成分。

继克兰乔发明了接触测角仪之后，乌拉斯顿（WilliamHydeWollaston）于1809年设计出了第一台反射测角仪。1828年，苏格兰学者尼科尔（WilliamNicol）研制成功偏光镜，称为尼科尔棱镜，英国的索尔贝（H.C.Sorby）于1857年将偏光镜装置于显微镜上，即现今的偏光显微镜。偏光显微镜可以研究透明矿物的光学性质，它的发明促进了矿物学和岩石学的发展。偏光显微镜反射测角仪

在矿物的化学成分方面，瑞典化学家和矿物学家密契尔利赫（EilhardMitscherlich）首先在KH2PO4和KH2AsO4晶体中发现了类质同像的现象，其后于1822年，他又发现了S和CaCO3的同质多象现象，并提出了现代“同质多像”的概念。由于发现类质同像的现象和提出同质多像的现代概念，密契尔利赫从而被誉为结晶化学的“始祖”。

十九世纪末，矿物学的发展即已达到成熟，但其理论基础一直未能获得实验的证实。直到1912年，德国慕尼黑大学的物理学教授劳厄（MaxVonLaue）和他的助手第一次成功地进行了X射线通过晶体而发生衍射的实验，这才具体证实了晶体构造的真实性。由于劳厄这一实验的成功，因而便兴起了一门崭新的学科--X射线结晶学。

两年后的1914年，英国学者布拉格父子（W.H.Bragg和W.L.Bragg）测定了第一个晶体结构，确定了矿物的化学成分和晶体构造的关系。当原子在结构中的精确位置和原子间距首次得到了测定，随后又产生了对原子的实际大小和原子间化学健的类型和强度所进行的推断。挪威学者戈尔德施密特（VictorMortizGoldschmidt）参与了测定首批元素离子半径值的工作，并综合研究了决定晶体构造的因素，提出了结晶化学第一定律（戈尔德施密特定律）。矿物材料学绪论

矿物材料的发展简史

近二三十年来，由于近代物理学和一系列现代分析测试技术的引进以及高科技迅猛发展的迫切需求，促使矿物学又在进行一场新的变革。高精度、高速度、微区、微量分析测试技术和计算机的应用，如微束分析，使微区、微量矿物成分分析成为可能；X射线分析重的转靶和四圆衍射仪的应用大大提高了分析精度和速度。随着60年代电子探针显微分析仪的发展，测定直径小于微米单晶的化学成分现在已成为常规分析。扫描电子显微镜（SEM）打开了一个全新的观察领域，它所提供的放大和分辨能力远远超过光学显微镜。与此相连的透射电子显微镜（TEM）可将原子及其排列直接成像，使晶体的缺陷、精细结构得以进一步揭示。这些标志着矿物学研究进入一个新的时代。

扫描电子显微镜（SEM）矿物材料学绪论

矿物材料的发展简史

矿物材料的进展和作用

天然矿物材料

这类矿物材料的重要开发方向是功能型材料，也包括了合成矿物材料。

石墨矿物材料:

鳞片石墨加工成柔性石墨后，再经化学处理和热处理，可制成石墨发热材料，具良好导电、导热性能，电热转换率达97%以上，且发热表面温度均匀、稳定，并能产生远红外线，是多用途的新型发热材料。用柔性石墨发热材料加工成的远红外辐射膜，可调节辐射波长为2.5～16μm的远红外射线，并具有谐振效应、内生热效应、微波效应、磁场效应。在医疗上可制作治疗多种慢性病的新型远红外保健器械材料。由于其发热时无明火，温度易控制，也是家用电加热器具、工业电加热设备的安全材料。其需求量一直以每年10%～15%的速率增长。石墨也被用作接地线路材料，其电阻值低于1Ω,是优于金属材料的耐腐蚀、抗酸碱的永久性接地材料。

矿物材料学绪论矿物材料的进展和作用

合成金刚石材料：金刚石在光、电、热性能和化学稳定性等方面都具有优良功能性品质。如在225nm～4μm的宽波段内有很高透光性，其电阻率大于1010Ω·m，热导率高达1100W/m·k，热膨胀系数极小，为0.8×10-6/℃。在现代高新材料中有广泛用途，但天然金刚石稀有而昂贵。目前己有多种方法生产金刚石材料。如人造金刚石薄膜是绝缘性强、耐热冲击及抗辐照能力极强的功能膜材料。高温等离子喷涂法是获取金刚石膜的有效方法(属物理化学气相沉淀法，PVD)。几乎所有含碳气体，如甲烷,利用等离子喷涂法等方式激活，分离出的定形碳沉淀后，即可简便、高效地获得成膜质量好的金刚石膜。制备金刚石膜的膜层发生速度一般可达80～150μm/h。实验表明，使用减压等离子方法(VPS)可获得与天然金刚石性能相同的薄膜（张志坚，西南冶金，1997，4期）。金刚石膜己用作大功率半导体器件及超大规模集成电路衬底;在光学窗口、卫星太阳能电池防护、计算机软盘保护以及光学透镜增透膜层等方面也取得了良好应用效果。全球在2004年的金刚石膜市场，用于刀具、磨具、耐磨层的约1.5亿美元，光学膜涂层约1.5亿美元，用于电子膜层的约9.5亿美元，用于装饰涂层的约1.2亿美元。此外，也有用叶蜡石和白云石合成透明纯正工业金刚石的报道。矿物材料学绪论矿物材料的进展和作用矿物材料学绪论矿物材料的进展和作用

吸波材料：吸波材料在军事隐身技术和民用屏蔽设施上都有重要用途。吸波材料通常可分两类，一类是指能够吸收电磁波等射线并使其散射衰减的功能材料；一类是指能屏蔽各种射线辐射的功能材料。由于许多吸波材料的成本很高，国外在开发吸波材料方面已逐步向无机非金属材料方向转变，并取得了一定成果。研究发现，具有尖晶石型和反尖晶石型以及类似尖晶石型的矿物具有吸波频带宽、反射系数小等吸波功能的基本特性。其他如压电石英材料，不定形耐火材料，矿物晶体激光材料等，都是重要的矿物材料。粉体矿物材料

粉体矿物材料在结构材料和功能材料中发挥着重要作用。

粉体矿物材料的涂料领域不断涌现高科技产品如陶瓷吸波涂料是密度小、吸波性能好，可有效减弱红外辐射的材料；在高分子涂料中加入无机矿物紫外线吸收剂(UV剂)，对紫外线散射和吸收性能好，比有机UV剂的耐热、耐久性强，可有效防止涂料因光照的老化现象。这种无机UV剂是用纳米TiO2在云母或滑石微粒片表面形成涂层后制成的；生物陶瓷涂层是用人造矿物复合材料替代人体因伤病无法复原的天然组织的人工骨、关节、齿根等移植替代材料。如羟基磷灰石生物陶瓷，金属—生物陶瓷人工骨材料，用等离子喷涂法，通过工艺控制可使涂层有一定粗糙度和孔隙，具有更好的生物相容性。矿物材料学绪论矿物材料的进展和作用

目前，粉体矿物材料用量最大的仍然是在塑料、造纸、建材等行业的碳酸钙、高岭土、滑石等矿物填料、涂料。但矿物材料类别也随技术进步而发生着变化。如造纸技术由酸性施胶向碱性施胶转变，重钙(GCC)因其自身的优势正在越来越多地取代滑石、高岭土。塑料工业中，矿物材料占塑料制品中的填充率约10%，主要是碳酸钙和滑石。美国塑料业中的碳酸钙填料在80年代中期已近70万t，并作为功能性填料，增加塑料制品的刚度、光泽、耐擦伤性、耐冲击强度和其他有关的物理性能。欧洲塑料业碳酸钙年用量约50万t。涂料工业中，碳酸钙既是体质颜料，又是减光性好和抗老化的功能性材料。美国涂料业年消耗碳酸钙填料超过26万t，欧洲约52万t(主要是水基涂料)。矿物材料学绪论矿物材料的进展和作用

粉体矿物材料的矿物种类和产品随着技术发展正在不断增加和更新，如硅藻土铸管涂料；沸石、硅藻土清新涂料；硅灰石水性涂料；海泡石、纤蛇纹石、膨润土、膨胀珍珠岩等矿物制成的保温隔热料；膨润土无碳复写纸涂料;钙基膨润土防水建筑涂料;用高岭土或膨润土或沸石岩生产4A分子筛材料；用高岭土或蛇纹岩或膨润土生产白炭黑等。曾泽斌等（非金属矿，1997，4期）研究了代替纤维增强摩擦材料蛭石摩擦材料。蛭石这种片状矿物在酚醛树脂基体中的增强效率比纤维高两倍，产品摩擦系数为0.4～0.6，高温磨损比纤维摩擦材料小，抗冲击强度达到国际标准。在水镁石阻燃材料与高分子材料的相容性改造方面，在日本，己利用脂肪酸或硅烷或钛酸脂偶联剂等多种方法处理水镁石，使其表面形成有机结构基团包覆层，因而使之与高分子化合物共混时实现界面相容。矿物材料学绪论矿物材料的进展和作用矿物材料学绪论矿物材料的地位和作用矿物材料的进展和作用

王新江等（中国非金属矿工业导刊，1998，6期）研究了用煤系高岭土能够根据不同湿度条件下调节空气中水份吸附、脱附的自律性调湿材料(即智能型调湿材料)，是用煤系高岭土烧成的一种多孔质材料。杨华明等（非金属矿，1998，2期）用超细石英粉(9μm)与化学纯氧化铝和氧化铁在1500℃下热压成型制成红外陶瓷,在300℃时的热膨胀系数小于4×10-6/℃，在8～25μm波段的红外线发射率大于84%。已引起广泛重视的环境矿物材料也有许多成果。例如鲁安怀等研究了利用天然矿物材料治理土壤、水体、大气污染问题，主要是利用某些矿物的离子交换性能、吸附、过滤性能和氧化还原等化学反应功能。土壤中除了粘土矿物具有吸附性和阳离子交换性外，铁锰铝氧化物及氢氧化物既具有吸附性，又能发生一定的氧化还原作用，还有较完善的孔道系统，因而都具有净化重金属污染物的功能。所以，保持土壤的成分结构是重要的。

在天然矿物对污水的净化功能开发方面，己研制成以具有净化功能的天然矿物为骨料，再将一定形态的氧化铁或氧化铝固着在矿物骨料表面，制备的优质净水环境矿物材料。环境矿物材料的化学活性的一种表现形式就是通过变价元素的氧化还原作用与沉淀转化作用达到净化的目的。美国、日本、前苏联从20世纪70年代就开始研究利用铁的硫化物矿物治污，90年代在发展中国家也引起了重视。该矿物对处理Cr6+、Pb2

+、Cd2+、Hg2+等有毒废水的效果良好，这是硫化物矿物的微溶性产物Fe2

+、S2-、S22-的氧化还原作用和沉淀转化作用所致。处理后生成的PbS、CdS、HgS等难溶物还可回收利用；用含钙、镁等天然矿物添加制成的固硫剂矿物材料在烟道脱硫，用天然矿物制成的多孔状陶瓷板在民用炉灶脱硫中都取得了良好效果。

粘土矿物材料成为许多纳米复合材料的重要组分材料或基体材料许多粘土矿物是一维、二维的天然纳米级微粒，其比表面大，外界化学及物理因素都容易对其产生影响，因而表现出明显的物理及化学活性，同时，有的粘土矿物的微结构和微成分，尤其是层间域结构可以进行控制性调整，使其在材料复合中表现出特殊功能。

矿物材料学绪论矿物材料的进展和作用近几年来，国内外都十分重视粘土层间化合物(ClayIntercalationCompounds,缩写为CICs)(也称为柱撑粘土矿物材料，PillaredInterlayerClayMaterial，缩写为PILC)，这一种分子级复合功能材料的开发应用。它是利用某些层状粘土矿物的离子或分子可交换性，用所需的原子、分子或多核笼状离子基团作为插层剂(或称柱化剂)插入层间域形成新的化合物及复合材料。不同的基体粘土矿物与插层剂的组合，或者用不同的制造方法，可制成不同理化性能的CICs，满足不同应用领域的要求。如层柱粘土催化剂(新型分子筛催化材料);用于液体的分离、离子交换、络合物交换等用途的新型吸附材料；择形分子筛;纳米工程塑料(如用蒙脱石矿物的柱撑纳米微粒作分散相与有机聚合物基体复合的纳米尼龙-6)等功能性材料。最近，陆琦等深入研究了铝基柱撑多核阳离子和钛基多核阳离子取代蒙脱石层间可交换性阳离子后的柱撑粘土矿物材料的理化特性及其变化的本质，以及在环境矿物材料方面的贡献。矿物材料学绪论矿物材料的进展和作用矿物材料学绪论矿物材料的进展和作用

粉体矿物材料的一个重要技术问题是优化粉体的粒级、改性效果和功能化。这里没有固定模式可用，关键是根据材料的用途对性能的要求进行设计，实施有针对性的加工处理。例如用作造纸填料的碳酸钙要在纸页形成时附着于纤维或其形成的网状结构上，从而留在纸页中，因而其细度以800～1200目为宜，并非越细越好。而要求透明度、强度、柔韧性、防水性很高的特殊建筑塑料和高级密封胶就需要纳米级二氧化硅作复合组分材料。又如，如何降低高岭土的粘度是近年来提高我国涂料高岭土使用质量的关键技术之一。用脂肪酸或树脂酸改性的重钙与多元醇酯制成复合树脂材料时，对改性重钙填料也要求粘度低，同时还要求分散性、耐热性能好；而对建筑塑料、涂料中加入的填料常常要求增加粘度。因此，非金属矿工业企业应该供应能够适应各种需求的安全改性粉体材料。

西班牙Reverte公司就生产了一系列不同的碳酸钙粉体产品，如Microcarb-60,Calfort-1，Carfot-3,Carfort-5,Carfort-70,Carfort-130,Litocord-60,Litocord-90,BLT-50等。据估计(黄万抚等，矿产保护与利用，1998，2期)，仅塑料、橡胶业所需改性矿物材料的用量就将以每年大于15%的速度增长。西南科技大学矿物材料及应用研究所对矿物结构、成分、性能、超细加工与改性之间的相互关系和影响进行了较系统的研究和实验，并提出了超细效应的理念和表征系统以及超细—改性一体化的设计，对矿物粉体的表面、界面特性及对人体的安全性等环境矿物学应用基础理论也进行了较系统的研究。钱海燕等最近提出的非金属矿粉体改性及表面改性效果评价的应用结果评价法和预先评价法，为非金属矿物深加工的目的和效果、效益的统一，提供了一种可以量化的基础检评参考体系。矿物材料学绪论矿物材料的进展和作用矿物材料学绪论矿物材料的进展和作用

复合矿物材料

建筑材料用复合材料中的非金属矿物复合材料发展很快，需要用多种多样非金属矿物作组分材料。如建筑门窗塑料(碳酸钙用量占7%～12%)，建筑管材塑料(需要碳酸钙，煅烧煤系高岭土)，地板塑料(要用碳酸钙，石英，滑石，和石棉等纤维材料)，建筑墙面涂料(碳酸钙，滑石，瓷土，云母，坡缕石，膨润土等)，建筑防水涂料(云母，滑石，石棉，瓷土，碳酸钙，水镁石等)，防腐涂料(石墨，云母，瓷土，辉绿岩等)，保温隔热涂料(蛭石，轻钙，珍珠岩等)，防水材料(碳酸钙，滑石，云母，重晶石，碳黑，瓷土等)，建筑胶粘剂(滑石，碳酸钙，瓷土等)。上述复合材料通称为化学建材，正在快速取代传统建筑材料，对非金属矿物材料的需求量很大，但在使用非金属矿粉体作复合组分材料之前都要进行粉体表面涂覆活化等处理。

在功能性复合矿物材料方面。由高级高岭土为主制成的一种复合材料具有很高的机械强度和耐冲击、抗辐射、耐高温、抗腐蚀等优良性能，是航空航天、汽车等所需的特种陶瓷材料；用蓝晶石族矿物微粉与碳化硅烧结成的复合材料是耐高温的窑炉材料、陶瓷器件和磨具材料；用海泡石或坡缕石与聚乙烯烃制成的复合材料也具有优良力学性能和耐热性；已研制的无机非金属基(陶瓷基)的金属-陶瓷材料具有优良电、磁、声、光功能，抗辐射、耐冲击、抗腐蚀、耐高温，机械强度大，广泛用于电子、电气、化工、原子能、军工，是多功能金属—无机非金属复合材料。

矿物材料学绪论矿物材料的进展和作用环境复合矿物材料也有很大发展。李博文等（2001年）在研究了以沸石、磷酸钙、硅藻土等矿物或陶瓷材料为基体，植入或被覆银、铜、锌等具有抗菌性能的金属离子制成抗菌材料的成果基础上，研制了铜型蛭石抗菌材料，其中的铜离子含量高达5.5%。这是用离子交换法将铜离子植入蛭石所获得的一种复合材料。铜离子兼有抗细菌和真菌两种功能，由于其半径小、电价高，比银离子的稳定性更好，且成本更低，因而优于银离子抗菌剂。用钾长石、滑石、方解石、绿泥石、白云石、阳起石等各具摩擦、打光、润滑、吸附净化等功能的天然矿物粉体制成的复合去污粉是无毒、无味、无腐蚀性的绿色环保型产品。用铝矾土、高铝粘土、膨润土、高岭土、明矾石、霞石、长石、硅藻土和煤矸石等铝硅酸盐矿物均可制成聚合氯化铝，其性能与传统产品相同，而成本明显降低，资源丰富，是新型高效复合净水剂，其对造纸厂废水中BOD去除率达95.8%，对COD去除率达97.7%。矿物材料学绪论矿物材料的进展和作用矿物材料学绪论矿物材料的展望

纳米矿物材料纳米技术的开发和应用已风靡全球，在今后相当长的一个时期里，仍将是材料领域的研究热点。纳米科学在矿物材料领域的应用起步较晚，但天然矿物中的各种纳米级结构早已引起人们的重视。许多天然矿物（如沸石类、粘土类矿物及其改性化合物）具有纳米级孔道结构以及离子交换、吸附性能；绝大部分天然矿物具有纳米尺度的参杂结构，层状结构的矿物的层间结构可被扩充或压缩。施倪承等（1994）提出了纳米矿物的概念，为矿物学与纳米材料学的结合奠定了良好的基础。在不久的将来，纳米科学和纳米技术的研究成果将在矿物材料研究领域产生更为广泛的影响，矿物的纳米级结构的研究、纳米级矿物材料的合成、制备、改造、性能研究及应用将成为矿物材料重点研究的方向之一。其中，纳米级的矿物粉体的制备、矿物孔道结构的改造及其应用将得到优先发展。矿物材料的展望矿物材料的展望矿物材料的展望

矿物材料的展望

环境矿物材料

90年代初，日本学者山本良一（Yamamoto）首先提出了环境材料的概念，很快在世界各国得到响应并达成共识，兴起了全球性的环境材料研究、开发和应用热潮，并成为材料科学与工程的最强劲的发展方向之一。环境材料是指那些对资源和能源消耗最少，对生态环境影响最小，再生循环利用率最高或可分解使用的，具有优异使用性能和特别优异的环境协调性的材料，以及那些直接具有净化环境，修复环境能力的材料。也有人将其称为生态材料、绿色材料。随着环境压力的增加和国际贸易中“绿色壁垒”的逐步形成，要求人们在研究、设计、制备材料和使用、废弃材料时，强化环境意识，不片面追求最大限度地发挥材料的性能或功能而忽视环境问题；在满足用户对材料性能的要求的同时，应尽可能节约资源和能源，减少对环境的污染；充分重视材料在整个使用寿命周期中与环境的协调性，并将其作为重要评价指标。因此，环境材料与其说是材料的一类，不如说是针对材料研究、设计、开发、生产、使用而提出的一种新理念、新要求，这种理念适用于各种材料。矿物材料学绪论矿物材料的展望

一般而言，天然矿物是一类资源丰富、价格低廉、能源消耗最少、污染少、与环境协调性最佳的材料。一些天然矿物还具有净化环境和修复环境的功能，是理想的环境材料，如沸石、硅藻土、海泡石、坡缕石、蒙脱石、麦饭石、膨胀珍珠岩等许多具有选择性吸附、过滤性能的矿物材料已被广泛应用于工农业生产和环境污染治理。以蒙脱石、沸石等层状、多孔状矿物研制的抗菌材料已用于日用消费品。铁的硫化物矿物可用于处理重金属污染物。今后一个时期，具有纳米或微米级尺度的多孔结构的矿物材料和用于载体、催化、过滤媒介的矿物材料以及对已有材料的“绿色化”改造，将是环境矿物材料研制、开发的重点。废气、废水治理、工业用水净化、居室净化等领域将是环境矿物材料研究和应用的主要领域。矿物材料学绪论矿物材料的展望矿物材料学绪论矿物材料的展望

能源矿物材料寻求新能源和节约现有的能源，是全人类面临的重要课题之一。能源矿物材料主要包括节能矿物材料和储能矿物材料两种类型。材料的节能既体现在其生产过程中能耗较低，更体现于它在使用过程中具有减少能量损失的作用。稻壳、软木、炉渣等传统的节能材料以及岩棉、矿棉、硅藻土、膨胀珍珠岩、微孔硅酸钙、加气混凝土、泡沫玻璃等新型节能材料以其优良的隔热性能在工业管道、锅炉、窑炉、热交换器、冷藏设备和房屋建筑得到了广泛应用。这类材料主要利用其自身在三维空间内的高气孔率所赋予材料的低导热率而使材料具有一定的绝热性能，今后它们仍将是隔热材料的主体，但在进一步提高材料强度、降低导热系数、减小容重、改善施工性能等方面还需加强研究。与此同时，具有高反射系数的绝热涂层、薄膜材料将会成为矿物材料发展的主要方向。目前我国能源利用率只有30%，能源消耗系数比发达国家高4~8倍，建筑物耗能仍比北美国家高出1倍以上，发展节能材料任重而道远。

矿物材料学绪论

自然界的矿物因种类不同，组成和结构各异，蕴含着许多特异的性能。它们或具有多种同质异构体（如石英），或具有高的热容和相变能，或具有很高的表面电性，或具有良好的光、电、声转换效应。从能量的吸收、贮存、转换和输出性质来研究矿物的物化性质及其在储能（包括储热、储光、燃气储存及化学能储存等）、节能领域中的作用，将为新型能源材料的开发研究提供一个新的途径，并在矿物材料领域中形成一个新的分支———“能源矿物材料”。在这方面，沸石等具有微孔结构的矿物以及那些具有低温相变特点的矿物将会得到优先应用。为解决天然气做为车载燃料的存储问题，国外开展了用活性碳吸附存储的试验研究，并取得了良好的进展。

矿物材料的展望矿物材料学绪论矿物材料的展望

功能矿物材料矿物特性的研究、表征，以及对矿物材料性能与其成分、结构、形成机制之间关系的揭示和诠释，是矿