矿物材料的概念与本质.docx

矿物材料的概念与本质.docx

《矿物材料的概念与本质.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《矿物材料的概念与本质.docx（18页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

矿物材料的概念与本质

矿物材料的概念与本质.txt会计说：

“你晚点来领工资吧，我这没零钱。

”你看得出我擦了粉吗？

虽然你身上喷了古龙水，但我还是能隐约闻到一股人渣味儿。

既宅又腐，前途未卜。

既宅又腐，前途未卜。

你被打胎后是怎么从垃圾桶里逃出来的?

史上最神秘的部门：

有关部门。

不可否认，马赛克是这个世纪阻碍人类裸体艺术进步最大的障碍！

本文由huibo0728贡献

pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。

建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。

卷（Volume）26,期（Number）2,总（Total）104页（Pages）1-9,2006,6,（Jun,2006）

矿

物

岩

石

JMIERALPETROLN

矿物材料的概念与本质

汪灵

成都理工大学材料与化学化工学院,四川成都610059;成都理工大学金刚石薄膜实验室,四川成都610059

【摘要】回顾20余年来我国矿物材料概念的研究与发展历程,矿物材料的概念与本质一直是矿物材料学的基本问题和研究热点之一.通过对国内有代表性观点的讨论与分析,并结合多年的教学科研实践经验,提出"矿物材料是以矿物为主要或重要组分的材料"的定义.在矿物材料中,矿物是集材料的组成与结构于一体的基元组分,不仅主要或重要组分是矿物,而且主要或重要物理,化学性能及使用效能也源于矿物.因此,矿物材料是以矿物为本质特征的材料.从矿物材料与其他材料关系看,尽管与无机非金属材料存在一定的交叉领域,但它并不简单等同于无机非金属材料,而是与无机非金属材料,金属材料和高分子材料等既有密切联系又有明显区别,具有自己特色和相对独立的一大类材料.【关键词】矿物材料;矿物材料学;非金属矿物;工业矿物;非金属矿物开发利用中图分类号:

P57文献标识码:

A文章编号:

1001-6872（2006）02-0001-09

0引言

矿物,植物和动物是人类赖以生存的三大自然物质资源[1].随着科技进步和材料需求多元化,矿物资源,尤其是非金属矿物资源得到越来越广泛地应用.从20世纪50年代开始,世界非金属矿产的产值就超过了金属矿产,有些发达国家的非金属矿产的产值和消费量甚至超过金属矿产的2倍3倍.20～

世纪80年代以来,中国非金属产量和产值增长迅猛,远远大于世界的增长速度,并从1993年起中国的非金属矿工业总产值已经超过黑色及有色金属矿产采选产值的总和[2].非金属矿及矿物材料工业已经成为我国应用领域广泛,发展前景广阔的重要产业之一.20世纪80年代初,随着非金属矿物资源开发利用不断发展与深入,矿物材料这一术语开始出现和逐步被使用.对于矿物材料这样一个新生事物,如何

收稿日期:

2006-01-11;改回日期:

2006-04-18基金项目:

国家自然科学基金（40572030）;"十五"国家科技攻关计划重点项目课题（2004BA810B02）;四川省重点科技攻关项目（05GG0212001）;四川省教育厅自然科学重点科研项目（2003142）;四川省应用基础研究基金（03JY02922621）A作者简介:

汪灵,男,48岁,教授（博士生导师）,矿物学与矿物材料学专业,研究方向:

矿物变换过程与功能矿物材料1

2

矿物岩石

2006

明晰它的概念,给出一个确切的定义,这对于明确矿物材料学的研究对象,学科内涵及其与其他学科的关系,促进矿物材料产业与学科的发展有着特别重要的意义.因此,从矿物材料名词开始出现以来,一直受到大家的特别关注.人们试图从不同的角度去认识矿物材料,去解释矿物材料.可以说,矿物材料的概念与定义一直是矿物材料学的一个基本问题和研究热点.但是,国内对这一重要问题迄今还没有取得共识,因此,回顾我国矿物材料概念20余年来的研究与发展历程,并根据矿物材料的自身特点与规律等,进一步探讨矿物材料的概念,内涵与本质,以及与其他材料的区别与联系是非常有益的.

矿,加工处理以及人工合成或晶体生长,研制成为工农业发展所需的材料.并认为矿物材料主要属于无机非金属材料,但有一些也涉及金属材料和有机材料.在结构材料,功能材料和复合材料中,矿物材料也十分重要,矿物材料可分为粉末和晶体两类[6].关广岳（1991）把在国民经济中可以直接或经非提取性加工而加以利用的矿物或岩石称为矿物岩石材料.但同时又认为,无机非金属材料是由天然矿物或人造矿物加工或合成而成,应当属于矿物岩石材料[7].肖金凯（1991）认为,矿物材料是指直接利用天然矿物岩石（包括工业固体废物）或对其加工改造与合成而制成的材料.与传统的矿产资源利用概念不同,它不是选用或提取天然矿物岩石中的某种或某些元素,而是利用天然矿物岩石所具有的特殊物理化学性质或效应.在材料科学领域中它属无机非金属材料范畴,是矿物学特别是矿物物理学与材料科学相结合的产物[8].万朴（1992）认为,矿物材料是指直接应用其物理,化学性质的矿物（岩石）或以天然矿物（岩石）为主要原料制成的一切材料[9].万朴（2002）后来又认为,矿物材料是指能够利用其物理,化学性质的矿物（或岩石）,或以天然矿物为重要原料,以优化其物理,化学性能为目的,经可控加工,改造或复合形成的一切材料.非金属矿物材料在整个矿物材料中占有极为重要的地位,但金属矿物材料也不可忽视.天然矿物（岩石）材料资源十分丰富,同时也需要人工矿物材料.他还认为,矿物材料有的是独立的天然矿物（岩石）材料或人工合成矿物（晶体）材料,有的可归属于无机非金属材料,有的属于复合材料[10].汪灵等（1995）认为,矿物材料是指以天然矿物或岩石为主要原料,经不以提炼金属和化工原料为目的的制备与合成所获得的材料,或者直接应用其物理,化学性质的矿物或岩石.根据这一定义,矿物材料应当包括经加工,改造得到的材料和直接应用其物理化学性能的矿物和岩石这两大部分,并根据叶大年院士的意见,试图通过"经不以提炼金属和化工原料为目的制备与合成"这一限制性表述,将矿物材料与金属材料,化工产品等区别开来[11].倪文等（1998）认为,矿物材料就是无机非金属材料.并认为,矿物材料有广义和狭义之分.一方面"矿物"是构成许多非金属材料的基本单元,另一方面绝大多数无机非金属材料都是由含有各种天然矿物的原料经过一系列加工得到的.因此,所有的无机非金属材料都可以叫做矿物材料.即从广义上讲,矿

1矿物材料概念回顾与讨论

1.1矿物材料概念的回顾

我国矿物材料概念问题讨论,从20世纪80年代初"矿物材料"一词出现之时就已经开始.20多年来,中国矿物材料产业得到了迅猛发展,矿物材料概念问题的研究与讨论也一直没有停息过.对国内学者比较有代表性的观点和看法作了较广泛,深入研究后,可以感觉到矿物材料的概念在百家争鸣中正不断清晰和完善.叶大年（1990）于20世纪80年代初期曾提出按矿物材料生产方式进行分类,确切地说,它是矿物材料工程的分类.这个分类,主要是将矿物材料的生产过程与三大类岩石（岩浆岩,变质岩和沉积岩）的形成过程进行对比.并引鉴岩石学的理论,认为矿物材料（尤其是多晶矿物材料）形成方式主要有3种:

熔融,烧结和胶凝,分别相当于岩浆作用,变质作用和沉积作用[3].赵万智（1990）认为,矿物材料不是矿物原料,是以非金属矿物为原料,通过一定的加工,改造产出的具有一定性能的非金属材料.并根据叶大年（1990）提出的矿物材料工程分类方法,将矿物材料分为熔浆冷凝型材料,成型烧结型材料和骨料胶凝型材[4]料等3种类型.赵万智等（1999）后来认为,矿物材

[3]

料是由矿物组成的无机非金属材料,有时也称硅酸盐材料;它是利用天然和人造矿物为原料,经过一定的生产工艺直接利用或加工成具有一定物理化学性能的非金属材料.广义者也包括金属材料.并将矿物材料按其生产过程分为熔浆型材料,烧结型材料,胶凝型材料和复合型材料等4大类[5].陈丰（1990）认为,矿物材料是指从天然矿物（以及一部分岩石）的物理性能和化学性能出发,经过选

第26卷第2期

汪灵:

矿物材料的概念与本质

3

物材料等于无机非金属材料[12].邱冠周等（2003）也持同样的观点[13].从狭义上讲,矿物材料是指那些以天然矿物岩石为主要原料,经过简单加工就能被利用的材料[12].吴季怀（2001）认为,矿物材料是一种材料,且应当包含材料和矿物岩石的特征.矿物材料应包括可以直接使用的固体材料,也包括作为材料的来源,半成品和组成部分的固体原料,因为无论原料或材料都是一种有用的固体物质.另一方面,除了能源矿石外,具有一定化学组成和晶体结构的非金属矿石,金属矿石,人工合成矿石,来自外星球的矿石,它们的聚集体及其加工处理后的矿物岩石都应在矿物材料的范畴内.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.狭义的矿物材料应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.根据这一思路,可以认为,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,矿物质组成的固体物由质[14].李博文等（2001）建议将矿物材料定义为:

在工农业生产和日常生活中具有应用价值的天然矿物,岩石及其制成品和仿制品.其含义包括4个方面:

（1）能被直接利用或经过简单的加工处理（如破碎,选矿,切割,改性等）即可利用的天然矿物,岩石;

（2）以天然的非金属矿物,岩石为主要原料,通过物理化学反应（如焙烧,熔融,烧结,胶结等）制成的成品或半成品材料;（3）人工合成的矿物或岩石;（4）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.显然,矿物材料属于无机非金属材料范畴,但涉及范围却十分广泛[15].持同样观点的还有沈上越等（2005）[16].马鸿文（2002）认为,工业矿物包括工业矿物原料和工业矿物材料,后者也可称为晶体材料（包括天然晶体材料和人工晶体材料）.无论工业矿物原料,或是工业矿物材料,两者均具有相同的晶体化学规律性.矿物的成分和结构的统一,决定了矿物本身的性质,并与特定的形成条件有关,在一定程度上反映了自然界元素结合的规律.并认为,矿物材料一词应大致限定在前述的工业矿物材料和工业岩石制品（材料）的范围,而不应包括工业矿物原料和工业岩石原料,更不应扩大到涵盖金属材料,或其他更复杂的复合材料的范围（以矿物晶体相或硅酸盐玻璃相

为主者除外）.换言之,即矿物材料可包括粉体矿物材料,晶体材料（单晶材料和多晶材料,天然晶体材料和人工晶体材料）,非晶材料,复相材料等.其中复相材料定义为含有两种或两种以上矿物相的材料,而多晶材料是指含有一种晶体相的材料[17].郑水林（2002）认为,非金属矿物材料是指以非金属矿物和岩石为基本或主要原料,通过物理,化学方法制备的功能性材料或制品[18].彭同江（2005）认为,矿物材料是指从天然矿物和岩石本身的物理化学性质出发,经过对原料（主要是非金属矿）适当加工处理,而形成的直接使用或制造有用物件所使用的物质.并认为,无机非金属材料中的硅酸盐水泥,玻璃,日用陶瓷等不属于矿物材料[19]的范畴.1.2矿物材料概念问题讨论从上述不同专家学者的观点中,可以看出我国矿物材料概念的建立与发展过程.同时也清楚地表明,如何认识和界定矿物材料,并凝练出让材料学家,矿物学家和整个科学技术界都能够接受的科学概念,并不是一件容易的事情,而且是当前矿物材料学应当重视和解决一个十分重要的基本问题.尽管国内学者对矿物材料概念的表述方法各不相同,根据对矿物材料范围的理解不同,可以概括出3种观点:

（1）宽化观点,认为矿物材料直接等同于无机非金属材料和硅酸盐材料（如倪文等的广义矿物材料概念[12]）,或以天然矿物为原料加工,制备的[10]一切材料（如万朴）,甚至还包括金属材料（赵万智等[5]）.

（2）窄化观点,认为矿物材料是以天然矿物岩石为主要原料经简单加工就能被利用的材料（如倪文等的狭义矿物材料概念[12]）,或是直接或经非提取性加工而加以利用的矿物或岩石（如关广岳[7]）,或者是工业矿物材料和工业岩石制品（如马鸿文[17]）.另外,在主张窄化的观点中,还往往将矿物材料限定为"非金属矿物材料"（3）介于上述两者.之间,认为矿物材料是以天然矿物岩石为主要原料加工,制备的材料,或者直接利用其物理,化学性质的矿物或岩石.并采用适当的限定词,使之区别于金属材料和化工原料等.持这种观点者人数相对较多,如陈丰[6],肖金凯[8],汪灵等[11],郑水林[18]等.应当肯定的是,根据对矿物材料范围的理解不同,国内学者就矿物材料的概念和定义所提出的上述观点或看法都是有道理的,并对我国矿物材料产业和学科的发展起到了积极作用.但是,如何使矿物材料的概念能够被材料学家,矿物学家,地质学家和整个科学技术界以及企业家,政府部门等各方面都理解和接受,

4

矿物岩石

2006

使之符合矿物材料的产业格局和应用状况,符合矿物材料的自身特点和本质特征,符合矿物材料的研究开发现状和发展趋势,更加有利于矿物材料产业的发展,其范围可能既不能太宽,也不能太窄,而应当确定在一个比较合适的范围之内.正如马鸿文[17]所指出的那样:

"不言而喻,过分扩大或限定矿物材料一词的内涵都不可避免地会引起实际使用中的混

[17乱"].如果矿物材料范围太宽,例如,将矿物材料定义为以天然矿物和岩石为原料加工制备的一切材料,或者直接等同于无机非金属材料和硅酸盐材料,可能很难被无机非金属材料和硅酸盐材料以及金属材

航天工业用的石墨密封材料和石墨润滑剂,石棉磨擦材料,高温和防辐射涂料等,微电子工业用的石墨导电涂料,显像管石墨乳,熔炼水晶等.因此,窄化矿物材料范围,必然将许多已经公认的矿物材料人为地排除在矿物材料之外,人为地缩小了矿物材料开发利用领域和研究开发视野,这对矿物材料产业发展及其学科建设同样是不利的.另外,关于矿物材料的概念,还值得讨论和重视的问题是:

第一,把矿物材料局限于非金属矿物材料是不全面的[11].因为,尽管矿物材料是非金属矿物资源开发利用不断发展与深入产物,而且在矿物材料中非金属矿物材料比金属矿物材料更加普遍,更加重要,但是矿物材料作为一种科学概念与学科范畴,也不可忽视金属矿物材料的存在与作用.例如,具有压电性的低温石英和黄玉已为我们所熟知,但闪锌矿同样具有良好的压电性能,也是一种很有前途的压电性矿物材料;再如,石墨的一个重要用途就是加工石墨润滑剂,同样辉钼矿也可以加工制备为辉钼矿润滑剂.第二,把矿物材料局限于矿物加工后,甚至限定为经高温加工或胶凝处理后的制品或材料是不合适的[9].因为一些天然矿物或岩石已直接用作矿物材料,如不少矿物晶体用作功能材料（如以上面提到的压电石英和闪锌矿等）,许多粘土矿物作填料,蓝晶石等高铝矿物作不定形耐火材料等等.第三,矿物材料与矿物原料是两个不同而又有联系的概念[11].二者的区别在于,矿物材料是一种直接加以利用的材料产品;而矿物原料只是一种间接加以利用的初级产品,如高岭石,瓷石,长石,石英等都是生产陶瓷的矿物原料.二者的联系在于,矿物材料是由矿物原料加工与制备而成.如矾土就是生产高铝耐火材料的矿物岩石原料,而以它为主要原料生产的耐火材料则是一种合成矿物材料.这里,矾土只是间接加以利用的,而耐火材料则是直接被利用的.当然,像滑石粉就同时兼有矿物材料和矿物原料性质,直接用于舞场的滑石粉显然是矿物材料,而用作生产堇青石质陶瓷时,就是一种矿物原料了.类似的情况还有直接用于装饰的天然矿物晶体等.因此,如图1所示,在一定的情况下,矿物材料与矿物原料存在一定的交叉关系,但二者仍然是两个不同的概念.

料等工作者所理解和接受.因为,由天然矿物或岩石提纯（如冶炼）制成的金属材料显然不属于矿物材料;由天然矿物或岩石制成的化工原料也不属于矿物材料.也就是说,由天然矿物或岩石以提纯金属和化工原料为目的所获得的产物都不属于矿物材料.当然,在提纯金属或化工原料生产过程中得到的像炉渣等副产品,有的有时也可以用作矿物材料,但生产的目的显然不是为了得到炉渣等[11].如果矿物材料所指的"一切材料"中甚至还包括金属材料,恐怕难以被人理解和接受.其可能结果是,导致矿物材料产业定位,研究方向,教学目的等都不明确,甚至"种了别人的田,荒了自己的地"这必然影响矿物材料,产业与学科的发展.如果矿物材料范围太窄,例如,将矿物材料只限定在以天然矿物岩石为主要原料,经简单加工就能被利用的材料,这样的看法并不符合矿物材料的现状,又很难被矿物材料工作者所理解和接受.其实,尽管有些矿物材料只需简单加工就能被利用,如滑石粉等,但是更多矿物材料的加工并不那么简单,往往要经过比较复杂的加工和制备过程,例如,以硅藻土,膨润土,海泡石,凹凸棒石,沸石等制备的吸附,助滤和环保材料,以珍珠岩,硅藻土,石膏,石灰石,蛭石,石棉等制备的隔热保温防火和节能材料及轻质高强建筑装饰材料,以碎云母等为原料生产的超细云母填料,颜料以及云母纸和云母板等.而且,随着社会进步与需求多样化,矿物材料的研究与发展更加多样和复杂化,例如,以叶蜡石等为原料制备的用于人造金刚石合成的固体传压介质材料,以高岭土（石）等为原料制备的煅烧高岭土,铝尖晶石,莫来石,赛隆,分子筛和催化剂,以膨润土等为原料制备的凝胶,有机膨润土和柱撑粘土等.同时,随着科技进步与高新技术发展,许多矿物材料的研究与制备已成为高新技术的重要领域,例如,机械工业和航空

2矿物材料定义与本质

2.1矿物材料定义

上述研究结果表明,对于矿物材料的界定范围既不能太宽,也不能太窄,应当根据矿物材料自身特

第26卷第2期

汪灵:

矿物材料的概念与本质

5

素,建议将矿物材料定义为:

矿物材料是指以矿物为主要或重要组分的材料[20].

2.2矿物材料的本质

矿物材料是指以矿物为主要或重要组分的材料,此定义明确并突出了矿物在矿物材料中的核心地位.根据材料学的基本原理,材料的物理,化学性能和使用效能都是由材料的结构与组成所决定的.如果说物理,化学性能和使用效能都是材料的现象,那么决定这些现象的本质就是材料的组成与结构.从材料学角度看,矿物是一种集组成与结构于一体的基元组分.对于矿物材料,不仅其主要或重要组分是矿物,而且更重要的是其主要或重要物理,化学性能及使用效能也源于矿物.例如,钻石是以天然金刚石为原料加工而成的矿物材料;人造金刚石是一种超硬材料,它是以石墨为主要原料采用在超高压和高温技术制备的一种矿物材料;金刚石薄膜是一种特殊功能材料,它是以碳源气体等为原料,采用等离子体化学气相沉积法（CVD）等技术制备的一种矿物材料.这些矿物材料都是以金刚石为主要或重要组分的材料,所具有优异的物理,化学性能也源于金刚石.因此,矿物材料是以矿物为基元组分的材料,是以矿物为本质特征的一类材料.以矿物为本质特征能够较好地避免其概念与范围的宽化与窄化,将矿物材料界定在一个比较合适的范围之内,基本符合矿物材料定义的基本原则.同时,该定义还具有一些优点:

第一,与目前学术界比较一致的看法（上述第三种观点）比较接近.因为,该定义所指的矿物材料显然已涵盖了"直接利用其物理,化学性质的矿物或岩石"它们是由矿物组成.,第二,能够与金属材料,化工原料等区别开来.因为,尽管许多金属材料,化工原料是以矿物岩石为主要原料加工而成的,但是在它们的加工过程中,其矿物岩石发生了一系列的物理化学变化,所产生金属材料和化工原料已经不是以矿物为主要或重要组分.第三,该定义具有简明扼要,易于理解的特点.显然,根据以上解释,并不需要增加"经不以提炼金属和化工原料为目的的制备与合成"等文字,就能表达相同的内容.

2.3狭义矿物材料与广义矿物材料

图1矿物材料与矿物原料的关系示意图

Fig.1Sketchmapshowingtherelationshipbetweenmineralmaterialsandmineralrawmaterial

点与规律,矿物材料产业与应用情况,矿物材料研究与发展方向,确定在一个比较合适的范围之内.这是理解矿物材料概念的关键,也是矿物材料定义的基本原则.因此,矿物材料定义应当考虑的主要因素有:

（1）能够体现矿物材料本质;

（2）能够体现矿物材料基本特点;（3）能够与金属材料,化工原料等区别;（4）简明扼要,易于理解.如上所述,对于矿物材料概念和范围的理解,目前持第3种看法者居多,即:

矿物材料是以天然矿物岩石为主要原料加工,制备的材料,或者直接利用其物理,化学性质的矿物或岩石.应当说,这种看法与矿物材料定义上述"基本原则"似乎比较接近一些.但是,如果将它作为矿物材料的定义,根据矿物材料定义应当考虑的以上主要因素来衡量,仍然存在不少值得讨论的问题:

（1）还不能体现矿物材料本质与基本特点.因为除了"直接利用其物理,化学性质的矿物或岩石"具有矿物材料特点外,"以天然矿物岩石为主要原料加工制备的材料"具有多样性,难以从本质上将矿物材料与