近期,国家印发了《建材工业发展规划(2016-2020)》、《全国矿产资源规划(2016-2020年)》、《“十三五”促进民族地区和人口较少民族发展规划》和《“十三五”资源领域科技创新专项规划》等一系列政策文件,鼓励发展石墨、石英、膨润土、高岭土、硅藻土、云母等矿物材料产业,积极推动非金属矿物材料产业基地建设。
一、矿物材料的概念
矿物材料是以天然矿物(主要是非金属矿物)和岩石为主要原料,以利用其技术物理性能和化学性能为主要目的,经过必要的加工处理和制备后所获得的材料产品,其最大的特点是保留矿物本身的主要特性。
矿物材料与目前应用的非金属矿物相近,但又包含了金属矿物和燃料矿物,即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,如赤铁矿可直接用作铁红,此时的赤铁矿即是矿物材料。

因此,矿物材料的范畴比目前的非金属矿物的范畴大。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。
二、矿物材料的特点
1、多用性
一种矿物材料往往具有多种用途。如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、化妆品原料等多个领域。
2、多样性
已知的天然矿物有3000多种,且每种矿物都具有各自独特的物理化学性质和工艺性质,但现在已开发应用的矿物材料仅200多种,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、工艺美术等领域。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。
6、经济效益显著
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不一样。
三、矿物材料的分类
1、按矿物材料中主要矿物名称分类
根据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。
2、按矿物材料的结构分类
根据矿物材料中的物质组成及其相互关系来进行分类,通常可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。
无机复合材料:指由两种或两种以上无机矿物材料组成的体系。如石棉水泥制品、微孔硅酸钙和陶瓷材料等。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。如钢纤维水泥和纸纤维石膏板等都属于无机复合材料。
无机与有机复合材料: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。如火车合成闸瓦、石棉橡胶板和玻璃钢制品等。
混杂复合材料: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。
3、按矿物材料成分结构和加工改造特点分类
(1)天然矿物材料
天然矿物材料是指直接利用其物理、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)。
4、按矿物材料的功能分类
根据矿物材料的使用性能和用途的不同来进行分类,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。
中国矿业大学(北京)郑水林教授按照矿物材料的功能与应用进行了如下分类。
表1 矿物材料的类型及其应用
四、研究开发工艺
矿物材料的研究开发工艺包括矿物原料的加工、提纯和处理以及对矿物的物理性质、化学性质、生产过程与加工工艺等方面的研究。
第一步:必须对矿物原料及其性质进行深人研究,即不断改进矿物原料的质量和开发新的原料,并不断发现新的有利用价值的矿物资源。
第二步:对矿物原料的加工工艺进行研究,即根据矿物原料的性质和特点以及对矿物材料性质的要求,设计合理的加工工艺。
第三步:对得到的最终矿物材料进行研究,包括矿物材料物质成分的研究、结构构造分析、各种物理和化学性质的测试等。通过这些研究工作获得性能优异的矿物材料。
资料来源:矿物材料及其加工工艺、非金属矿加工与应用
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