矿物材料的概念与本质.doc

卷 Volume 26, 期 Number 2, 总 Total 104矿 物 岩 石 页 Pages 1-9, 2006, 6, J un , 2006 J M IN ERAL PE TROL 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 1001-68722006 02-0001-09 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 05GG 021-001; 四川省教育厅自然科学重点科研项目 2003A142; 四川省应用基础研究基金 03JY029-26-1 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 . 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 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 。 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 [3], 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 料等 3种类型 [4]。 赵万智等 1999 后来认为 , 矿物材 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 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 2矿 物 岩 石 2006 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 、 由 矿 物 质组 成 的 固 体 物 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 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 的范畴 [19]。 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 一切材料 如万朴 [10] , 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 3 第 26卷 第 2期 汪 灵 矿物材料的概念与本质 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 乱 ” [17]。 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 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 , , 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 。 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 , , 4矿 物 岩 石 2006 图 1 矿物材料与矿物原料的关系示意图 Fig . 1 Sketch map showing the r ela tio nship betw een mine ral materials a nd minera l r aw ma terial 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其他材料相区别 。 同时 , 除 “ 以 天然矿物岩石为主要原料 ” 外 , 也看不出这样的 “ 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 制 , 如 “ 经非提取性加工 ” [7], “ 经不以提炼金属和化 工原料为目的的制备与合成 ” [11], “ 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 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 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或定义广义矿 物材料与狭义矿物材料还有待讨论 。 5 第 26卷 第 2期 汪 灵 矿物材料的概念与本质 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 、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 CV D金刚石等 和特种陶瓷材料等。 由此 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。 2. 3. 2 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 CH4 等 为碳源气体制备的低压气相 CV D金刚石薄膜等 ; 而 更多的是 , 尽管是以天然矿物岩石为主要原料加工 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 ,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 在中国 , 矿物材料是 20世纪 80年代初生产的新 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些 特征 , 但又不同于严格意义上的无机非金属材料。而 广义矿物材料中的部分硅酸盐材料 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 2 A 。 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 Fig . 2 Ske tch ma p sho wing the relatio nship be tween minera l mate rials and o ther ma teria ls 8 矿 物 岩 石 2006 范围 图 2C。 构于一体的基元组分 , 不仅矿物材料的主要或重要 组分是矿物 , 而且矿物材料的主要或重要物理与化 学性能及使用效能也源于矿物 。 因此 ,矿物材料是以 矿物为本质特征的一类材料。另外 , 根据对矿物材料 中矿物的理解和界定不同 , 矿物材料还存在狭义矿 物材料和广义矿物材料两种理解与解释 , 但对二者 进行严格区分和定义可能并没有多大实际意义。 从 矿物