矿物材料的概念与本质.doc

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2、 矿 物 岩 石 J M I ERAL PETROL N 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

3、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

4、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

5、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 (2004BA 810B 02) ; 四川省重点科技攻关项目 (05 GG0212 001) ; 四川省教育厅自然科学重点科研项目 (2003 142) ; 四川省应用基础研究基金 (03J Y02922621) 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

6、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

7、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

8、, 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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、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

18、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

19、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 ) .

20、 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

21、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

22、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

23、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,

24、 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

25、 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

26、.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

27、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

28、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

29、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

30、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

31、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 F ig. 1 Sketch m ap show ing the rela tion sh ip betw een m inera l m a teria ls and m inera l raw m a teria l 点与规律, 矿

32、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

33、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其他材料相区别. 同时, 除 以 天然矿物岩石为主要原料 , 也看不出这样的 外 矿 物材料 在特征上与其他材料有什么不同. ( 2) 还不 能完全将矿物材料与金属材料, 化工原料等区别开 来. 因为许多金属材料和无机非金属材料及其复合 材料, 以及化工原料都可以是 以天

34、然矿物岩石为主 要原料加工制备的这势必将矿物材料人为宽化. , 事实上, 前人也有这个担心, 为了避免将矿物材料宽 化, 在他们的表述中将加工制备作了一些必要的限 7 制, 如 经非提取性加工 ,经不以提炼金属和化 11 工原料为目的的制备与合成 ,以优化其物理, 化学性能为目的 加工制备 10 . ( 3) 很明显, 这并不 是一个简明扼要, 易于理解的矿物材料的定义方案. 因此, 根据矿物材料定义的上述原则和主要因 上述定义的矿物材料所涵盖的范围仍然有比较 大的弹性, 确实存在广义与狭义两种理解与解释. 其 关键是如何理解和解释矿物材料定义中的 矿物 . 需要指出的是, 是否有必要严格区分

35、或定义广义矿 物材料与狭义矿物材料还有待讨论. 21311 狭义矿物材料 指作为矿物材料主要或重 6 矿 物 岩 石 2006 要组分的矿物, 主要是传统意义上的矿物或岩石及 其衍生物; 它们往往是以天然矿物岩石为原料加工 制备而成, 并通常保留原料中矿物岩石及其衍生物 特征; 其加工制备的特点是从天然矿物岩石本身的 物理, 化学性能出发, 以优化其物理, 化学性能为目 的; 因而其材料组成, 结构, 性能和使用效能与天然 矿物岩石原料存在直接继承关系. 狭义矿物材料主 要有两大类: 一类是以天然矿物, 岩石为主要或重要 组分的材料. 其基本特征是, 不管采用何种加工制备 工艺, 原料中矿物,

36、 岩石并未发生复杂的物理化学变 化, 所加工制备的材料仍然以天然矿物岩石为主要 或重要组分, 如矿物粉体填料, 提纯矿物材料, 石材, 天然矿物晶体材料, 部分非金属矿复合材料及制品 等. 另一类是以在组成与结构和性能上与天然矿物 岩石原料仍然保持着继承关系的矿物岩石衍生物为 主要或重要组分的材料. 其基本特征是, 在材料加工 制备的过程中, 尽管天然矿物原料中的矿物已发生 了一定的变换, 但矿物变换产物或矿物衍生物在组 成与结构和性能上与矿物原料仍然保持着密切联 系, 如表面改性矿物粉体材料, 热处理和高温煅烧矿 物材料, 化学处理改性矿物材料, 柱撑粘土材料, 部 分非金属矿复合材料及制品

37、等. 按此理解, 狭义矿物材料主要类型有非金属矿 物制品, 矿物粉体填料 ( 含表面改性产物) , 大理石及 花岗石, 宝石及玉石, 部分人工矿物晶体材料 ( 如由 石墨在高温和超高压条件下合成的人造金刚石等) , 其他矿物材料 ( 包括: 其他硅酸盐矿物材料等, 如以 膨润土为原料加工制备的有机膨润土, 柱撑粘土等; 其他由天然矿物 ( 包括金属矿物) 加工制备的矿物及 其衍生物材料, 如辉钼矿润滑剂等) 等. 因此, 狭义矿 物材料不包括严格意义上的硅酸盐材料 ( 水泥, 玻 璃, 传统陶瓷和耐火材料等) , 部分人工晶体材料 ( 如 低压气相 CVD 金刚石等) 和特种陶瓷材料等. 由此

38、 可见, 除了很少数以金属矿物加工制备的矿物材料 外 ( 如辉钼矿润滑剂等) , 狭义矿物材料的许多品种 同时具有无机非金属材料特征, 如果按目前材料的 化学性质分类, 部分可归属于无机非金属材料. 应当 指出的是, 狭义矿物材料是目前矿物材料产业主体 和主要研究领域, 也是国内比较认同的矿物材料概 念. 21312 广义矿物材料 指作为矿物材料主要或重 要组分的矿物, 主要是广义的矿物岩石及其衍生物; 它们除包含狭义矿物材料, 还包含不是以天然矿物 岩石为原料加工制备而成的矿物材料, 如以 CH 4 等 为碳源气体制备的低压气相CVD 金刚石薄膜等; 而 更多的是, 尽管是以天然矿物岩石为主

39、要原料加工 制备而成, 但是其材料的组成, 结构, 性能和使用效 能与天然矿物岩石原料不存在直接继承关系的矿物 材料. 这些材料的一个重要特征是, 在材料加工制备 过程中, 原料中天然矿物岩石已发生复杂的物理化 学变化, 所生成的矿物岩石及其衍生物在组成, 结构 上也发生了根本变化, 使材料的组成, 结构, 性能和 使用效能等与天然矿物岩石原料已不存在明显的继 承关系, 如硅酸盐材料中的水泥, 玻璃, 陶瓷和耐火 材料等. 按此理解, 广义矿物材料不仅包含狭义矿物材 料, 而且包括严格意义上的硅酸盐材料 ( 水泥, 玻璃, 传统陶瓷和耐火材料等) , 人工晶体材料和特种陶瓷 材料等. 尽管广义

40、矿物材料的范围相当广泛, 并且部 分显然属于无机非金属材料, 但这也并不意味着矿 物材料等同于无机非金属材料. 因为, 还有许多种类 的无机非金属材料并不是以矿物为主要或重要组 分, 因而不能叫做矿物材料; 同时, 以金属矿物加工 制备的矿物材料也不在无机非金属材料之列. 需要指出的是, 也许有时候要真正区别什么是 广义矿物材料, 什么是狭义矿物材料并不是一件容 易的事情, 在生产和研究实践中有时候也并不需要 刻意区别它们. 正因为如此, 尽管矿物材料的概念存 在狭义和广义两种理解和解释, 可能并没有必要一 定对它们做出严格区分与定义, 或许这样对矿物材 料产业与学科发展更加有利. 事实上,

41、一些从事无机 非金属材料, 金属材料, 聚合物材料的人员也涉及矿 物材料, 而一些从事矿物材料的人员同样涉及其他 材料, 而且复合材料更是为从事不同材料生产与研 究者之间的交叉与融合建立了桥梁与纽带. 3 矿物材料的基本特征及其与其 他材料的关系 3. 1 矿物材料的内涵与基本特征 尽管矿物材料存在广义与狭义两种理解与解 释, 甚至存在广义矿物材料和狭义矿物材料之说, 但 其本质都是相同的, 即都是以矿物为本质特征. 与金 属材料, 高分子材料, 化工原料和一些无机非金属材 料相比, 矿物材料有如下内涵与共同特点: ( 1) 从材料组成上看, 矿物材料一般指在材料物 质组成的质量分数上是以矿物

42、为主 ( 通常指含量大 于 50% ) 的材料.同时, 也包括那些尽管材料的主要 组分不是矿物 ( 通常指含量小于 50% ) , 但以矿物为 重要组分的材料, 其重要性在于矿物对材料的相关 第 26 卷 第 2 期 汪 灵: 矿物材料的概念与本质 7 性能起决定性的作用. 矿物材料的矿物组成特点有 助于将它与金属材料, 高分子材料, 化工原料等区分 开来, 因为它们不是以矿物为主要或重要组分. ( 2) 从材料性能上看, 矿物材料的主要物理与化学性能 和使用效能都源于矿物. 而金属材料, 高分子材料, 化工原料的物理化学性能与使用效能不是源于矿 ( 物. 3) 从材料矿物自身特点看, 矿物材

43、料中的矿物, 既包括天然矿物, 又包括人工矿物; 既包括严格矿物 学意义上的矿物, 又包括这些矿物的衍生物矿物. 衍 生物又叫矿物变换产物, 是指为了赋予矿物材料一 定物理化学性能, 在矿物材料加工制备过程中, 在一 定物理, 化学条件下 ( 如温度, 压力等) 使矿物, 岩石 的组成与结构, 物理化学性能及使用效能等性质发 生变换的产物. ( 4) 从材料晶体特征看, 矿物材料主 要是由矿物多晶组成的材料, 同时也包括由矿物单 晶组成的材料, 以及部分非晶材料, 如以珍珠岩加工 ( 制备的膨胀珍珠岩保温隔热材料等. 5) 从材料类型 上看, 许多矿物材料是由非金属矿物加工制备而成 的非金属矿

44、物材料, 它们往往同时具有无机非金属 材料的某些特征. 但是, 这并不意味着矿物材料完全 等同于无机非金属材料. 因为, 有的金属矿物同样可 以制备矿物材料, 如用作润滑材料的辉钼矿, 具有压 电性能的闪锌矿等; 同时, 从某种角度看, 有的以矿 物为重要组分的矿物 聚合物复合材料也可以归入 矿物材料的范畴. 显然, 矿物材料不仅仅限于非金属 矿物材料, 一些矿物材料也并不属于无机非金属材 料. 这也是矿物材料区别于无机非金属材料的重要 特征之一. ( 6) 从材料原料上看, 矿物材料主要是以 天然矿物岩石为主要原料加工制备而成, 同时也可 以是以其它原料加工制备而成. 当矿物材料以天然 矿物

45、岩石为主要原料时, 应当是通过一定的加工制 备工艺转化而成; 未经过加工的天然矿物岩石一般 不属于矿物材料, 而只是矿物原料或岩石原料, 它们 一般又分别叫做工业矿物或工业岩石. 因此, 矿物材 料与工业矿物, 工业岩石是不同的概念. ( 7) 从材料 加工制备上看, 矿物材料加工制备主要有矿物的提 纯, 粉碎, 改型, 改性, 改造, 复合, 人工合成等, 既有 物理加工制备, 也有化学加工制备, 以及物理化学 加工制备; 既包括简单加工, 也包括复杂加工制备, 而且许多属于高新技术范围. ( 8) 从材料作用上看, 矿物材料主要是功能材料, 同时也有结构材料; 既有 传统材料 ( 如各种非

46、金属矿制品等) , 也有属于当今 高科技领域重点发展的新材料. 3. 2 矿物材料与其他材料的关系 鲜事物. 其生命力在于, 它是我国矿物资源, 尤其是 非金属矿物资源开发利用产物, 具有自己明显区别 于其它材料的领域和特点.如图 2 所示, 矿物材料既 不能简单等同于无机非金属材料, 也不等同于金属 材料和高分子材料, 但与这些材料都有着一定关系. 矿物材料与无机非金属材料关系尤为密切. 如 上所述, 狭义矿物材料中的许多品种, 如非金属矿物 制品, 矿物粉体材料及其表面改性产物, 大理石及花 岗石, 宝石及玉石, 部分硅酸盐矿物材料, 部分人工 矿物晶体材料等, 尽管具有无机非金属材料的某

47、些 特征, 但又不同于严格意义上的无机非金属材料. 而 ( 水泥, 广义矿物材料中的部分硅酸盐材料 玻璃, 传 ), 统陶瓷和耐火材料等 部分人工晶体材料和特种陶 瓷材料等显然同时属于是无机非金属材料. 因此, 矿 物材料不仅有自己相对独立的领域 ( 狭义矿物材料, 图 2 非交叉各部分) , 而且与无机非金属材料存在一 定的交叉领域 ( 广义矿物材料, 图 2A ) . 矿物材料与金属材料也有一定关系. 首先, 如上 所述, 有少部分矿物材料是由金属矿物加工制备而 成, 它们同时也是金属材料的新成员. 其次, 一些天 然矿物或人工合成矿物可以通过与金属材料复合, 加工制备成为矿物 金属复合材

48、料 ( 如莫来石增强铝 基复合材料等) . 显然, 矿物材料与金属材料也存在 一定交叉领域 ( 图 2B ) . 矿物材料与高分子材料的关系主要体现在通过 加工复合而成的矿物 聚合物复合材料. 这方面的例 子非常多, 因为许多粒状 ( 如石英等) , 片状 ( 如白云 母等) , 纤维状 ( 如硅灰石等) 矿物经过表面改性后, 能够与高分子材料复合制备成矿物 聚合物复合材 料. 因此, 矿物材料与高分子材料也存在一定的交叉 图 2 矿物材料与其他材料的关系示意图 F ig. 2 Sketch m ap show ing the rela tion sh ip betw een m inera l m a teria ls and o ther m a teria ls 在中国, 矿物材料是20 世纪80 年代初生产的新 8 矿 物 岩 石 2006