我國非金屬礦物材料發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

非金屬礦物材料的研究內(nèi)容及其發(fā)展趨勢礦物材料是指以天然礦物或巖石為主要原料，經(jīng)不以提純金屬和化工原料為目的加工改造所獲得的材料，或者能直接應(yīng)用其物理、化學(xué)性質(zhì)的礦物或巖石。根據(jù)礦物材料的定義和加工改造特點(diǎn)，將礦物材料分為天然礦物材料、深加工礦物材料和復(fù)合、合成礦物材料等三大類。90年代以來，非金屬礦物材料的研究與開發(fā)上出現(xiàn)了喜人的形勢。1深加工礦物材料的性質(zhì)研究與應(yīng)用技術(shù)將非金屬礦物或巖石進(jìn)行超細(xì)、超純、改型、改性等深加工處理改造，是改變非金屬礦物或巖石性質(zhì)的有效方法，也是非金屬礦增值的重要途徑，如散裝膨潤土$30/1,而有機(jī)膨潤土$2400~3600/1;重晶石散裝未經(jīng)磨碎者$40/1,而藥物級(jí)達(dá)$2560/1;石墨原礦$500/1,石墨密封材料$7000/1,增值13倍，而石墨乳$10000/1,增值20倍。我國在深加工方面雖然起步甚晚，但近年來取得了可喜成果。通過引進(jìn)、消化、吸收和開發(fā),已研制出一批超細(xì)粉碎設(shè)備,如超微氣流粉碎機(jī)的產(chǎn)品細(xì)度、能耗等主要技術(shù)指標(biāo)已接近和達(dá)到國外同類設(shè)備水平;BQF型超音速內(nèi)循環(huán)氣流粉碎機(jī)適用于干法超細(xì)粉碎，細(xì)度可達(dá)1um;CP型超細(xì)磨生產(chǎn)能力可達(dá)60kg/h;PQ750型氣流粉碎機(jī)生產(chǎn)能力為200kg/h。此外，在粘土礦物高活性、高分散深加工工藝、高嶺石剝片技術(shù)和膨潤土改性研究,以及粘土生物材料工程等方面均取得了重要進(jìn)展。2復(fù)合礦物材料的性質(zhì)研究與應(yīng)用技術(shù)任何一種礦物材料都有它自身的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也有其自身的弱點(diǎn)。復(fù)合礦物材料能夠取長補(bǔ)短，因而得到廣泛應(yīng)用。例如保溫材料就是由一種或數(shù)種熱導(dǎo)率低的礦物原料與粘結(jié)物質(zhì)配制而成的一種常見的復(fù)合礦物材料。中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)所利用天然礦物為原料研制成功了高溫輻射和隔熱防腐涂料。這實(shí)際是一種用于加熱器件裝置中的金屬一非金屬復(fù)合材料閉。當(dāng)今受到人們重視的另一種復(fù)合礦物材料是采用玻璃纖維、硼纖維、sic纖維等為基體纖維與基體樹脂枯接劑復(fù)合而成的高性能復(fù)合材料。另外，許多梯度功能材料也屬于復(fù)合礦物材料。梯度功能材料可以說是提出最晚、概念最新、發(fā)展最快的新材料之一。在這一領(lǐng)域研究中，武漢工業(yè)大學(xué)與國外合作，在金屬一陶瓷系熱應(yīng)力緩和型梯度材料等方面取得了較大進(jìn)展閣。3合成礦物材料的性質(zhì)研究與應(yīng)用技術(shù)礦物或巖石經(jīng)高溫、高壓等加工處理后，在物相、結(jié)構(gòu)、成分等發(fā)生變化的同時(shí)，性質(zhì)也發(fā)生變化。據(jù)此，可以合成具有不同性質(zhì)和用途的礦物材料。例如，利用硅藻土、粉石英膨潤土、火山灰等生產(chǎn)微孔硅酸鈣制品，具有容重小、導(dǎo)熱系數(shù)低、無腐蝕、平整美觀等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于電力、化工、石油、冶金用管道及熱工設(shè)備保溫以及建筑保溫材料，這方面的技術(shù)在國內(nèi)已日趨成熟。再如，中國科學(xué)院地質(zhì)所在國內(nèi)外首先研制成功了青剛玉新產(chǎn)品，其硬度和耐磨性等性能與剛玉相似，卻有更好的質(zhì)量價(jià)格比。中國科學(xué)院長沙大地構(gòu)造所采用天然礦物原料合成了具有高抗熱震性能的特種耐火材料，在陶瓷窯具等方面有廣闊的開發(fā)應(yīng)用前景。中國科學(xué)院地球化學(xué)所等單位利用開采鋁土礦的廢料為原料合成莫來石，利用貴州的鋇礦物和粘土礦物合成鋇長石特種耐火材料等［3j。此外，一些單位還利用火山物質(zhì)為主要原料制造保溫、吸音、隔熱材料—泡泡玻璃，利用玄武巖制造硅酸鹽巖棉等方面取得重要進(jìn)展。4納米礦物材料的性質(zhì)研究與應(yīng)用技術(shù)納米科技誕生于90年代初期，不久即引起了科技界的廣泛興趣，并相繼出現(xiàn)了冠以“納米”為字首的分支學(xué)科，如納米材料學(xué)、納米礦物學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米機(jī)械學(xué)等。納米材料學(xué)是納米科技與材料學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。由于有些納米材料是由天然礦物超細(xì)深加工而成，所以這部分也可歸屬于深加工礦物材料大類，或稱為納米礦物材料。納米科技研究和應(yīng)用0.1~100nm粒子的原子現(xiàn)象及其特征。前人的研究結(jié)果證明，當(dāng)物質(zhì)的幾何尺寸大小達(dá)到納米級(jí)時(shí)，該物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)（如顏色、脆性、韌性、熔點(diǎn)、比熱、熱膨脹系數(shù)、磁性、光性、聲波、化學(xué)活性和溶解度等）會(huì)發(fā)生一系列的變化。這種變化叫做納米效應(yīng)。也有人把納米微?？醋骼^物質(zhì)三態(tài)（氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)）之后的第四態(tài)［6j。由于納米材料具有不同于傳統(tǒng)材料的獨(dú)特性能而成為當(dāng)前材料科學(xué)、物理界、化學(xué)界研究的國際前沿。若能在礦物材料研究中注意引進(jìn)納米學(xué)的思想，那么將給礦物材料的研究帶來意想不到的成果，為新型礦物材料的研制開辟新的途徑。目前，我國已開始在納米級(jí)粘土微粒、SiO2微粒和納米級(jí)金微粒等方面進(jìn)行研制及應(yīng)用。5碳質(zhì)礦物材料的性質(zhì)與應(yīng)用技術(shù)碳質(zhì)礦物材料是礦物材料學(xué)另一個(gè)值得高度重視的前沿領(lǐng)域。國際上很熱門，有人稱之為“黑旋風(fēng)”。其實(shí)碳質(zhì)礦物材料并不一定都是黑色，它可以從透明到黑色，也有各種顏色。更重要的是，它具有最全面的物化性質(zhì)，也具有最廣泛的用途，是一種應(yīng)用前景十分廣闊的全材料。例如，硬度最低的良導(dǎo)體石墨和硬度最大的絕緣體金剛石都是碳質(zhì)材料家族中的成員。當(dāng)前最引人注目的是金剛石薄膜超硬材料和碳纖維復(fù)合材料。大家知道，金剛石是迄今發(fā)現(xiàn)的所有礦物中最硬的。若能在刀具表面形成金剛石薄膜，對(duì)于延長刀具使用壽命、提高產(chǎn)品加工精度都是至關(guān)重要的。因此，國內(nèi)不少單位采用各種方法進(jìn)行了金剛石鍍膜理論與工藝技術(shù)研究，取得了一定進(jìn)展。例如，中國科學(xué)院長沙大地構(gòu)造所用直流弧光放電熱等離子技術(shù)進(jìn)行金剛石薄膜的化學(xué)氣相合成和金剛石鍍膜制品的研制、應(yīng)用取得了令人鼓舞的成果。碳纖維是當(dāng)前應(yīng)用最廣并最具特殊價(jià)值的一類纖維。它制成的復(fù)合材料是高性能復(fù)合材料，經(jīng)濟(jì)價(jià)值很高，1987年產(chǎn)值達(dá)200多億美元，據(jù)Fitzer測算，到1996年碳纖維產(chǎn)量將增長4倍，是近10年來發(fā)展最快的一種材料圈。碳纖維復(fù)合材料迅速發(fā)展的原因主要有三:一是碳資源豐富;二是可以循環(huán)使用，無污染、無毒害，是最清潔的材料;三是碳纖維具有一系列的優(yōu)異性能，可說是近于全面的多形式的優(yōu)異性能。在力學(xué)性能方面以美國UCC公司生產(chǎn)的產(chǎn)品為例，其抗張強(qiáng)度高達(dá)5O99.SN/cm2，剛度模量達(dá)3x105kg/mm2,應(yīng)變值＞1%;熱穩(wěn)定性優(yōu)良，燃點(diǎn)4020士50K，低熱膨脹系數(shù)（10-6級(jí)），化學(xué)穩(wěn)定性好，抗腐蝕，不溶于酸堿，相對(duì)密度小（L8-2.1）。這些性質(zhì)是金屬材料以及其它材料無可比擬的。用碳纖維制成的復(fù)合材料幾乎可以成為工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)以及人民日常生活必需的所有材料，即是一類“全材料”?？梢杂锰祭w維復(fù)合材料替代金屬或其它材料（如陶瓷、水泥、木材等）做成各種制品，如器件、器材、用具，也可以制成承力構(gòu)件，如飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身，美國軍用飛機(jī)F-15、F-4、F-5A和商用機(jī)DC-10、L-1011使用碳纖維復(fù)合材料后，不僅性能特異，不反射雷達(dá)波，且替換部件比原部件重量減輕15%-30%，飛行速度提高10%;汽車上的20%~60%部件可以用碳纖維材料制作，包括載重片彈簧、驅(qū)動(dòng)軸等承力構(gòu)件，汽車自重可減輕70%，提高車速，節(jié)省汽油，mpq值（每加侖汽油行駛英里數(shù)）從1978年的18提高到1985年的27.5。碳纖維復(fù)合材料還用來制作壓力容器、貯能設(shè)備、建筑和家具等。目前碳纖維主要生產(chǎn)國是日本、美國、德國、英國和俄羅斯等發(fā)達(dá)國家，在我國幾乎處于空白狀態(tài)。6資源的二次利用與廢棄物質(zhì)的資源化隨著礦產(chǎn)資源的逐年減少和礦渣、尾砂、煙塵等廢棄物質(zhì)對(duì)環(huán)境影響不斷加劇，資源的二次利用與廢棄物質(zhì)的資源化間題也日益受到人們的重視。近年來，這方面的研究顯得比較活躍，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，并成為非金屬礦物材料較重要的發(fā)展方向之一例如，我國各煤礦都有大量的煤砰石堆放，污染環(huán)境，占用大片土地。煤炭科學(xué)研究院西安分院等單位將以高嶺石為主要成分的煤殲石進(jìn)行鍛燒、提純、改性、超細(xì)及剝片等深加工處理開發(fā)鍛燒高嶺土、全煤研石超內(nèi)燃燒空心磚等非金屬礦物材料產(chǎn)品。我國現(xiàn)有尾礦庫達(dá)420個(gè)，庫容內(nèi)儲(chǔ)存量已達(dá)7x108m3，而且還以每年700~800萬噸的速度遞增，真是“尾”滿為患。中南工業(yè)大學(xué)等單位采用湖南某礦山尾礦砂為主要原料開發(fā)CaO-A10-Si0:系統(tǒng)的尾砂微晶232玻璃，取得了初步的成果。貴州某廠每年排放上萬噸剛玉煙塵