(中南大學資源與生物學院，湖南長沙410083)
資源材料壹體化的核心是發展從礦物資源直接制備高性能材料的技術，建立相關基礎理論，形成新的礦物材料學科體系。礦產資源的整理涉及超細、高純度、表面改性和功能化技術。礦物材料廣泛應用於高科技材料、環保工程、電子信息、汽車材料等領域。重點分析了礦物性質與其應用特性的關系，詳細闡述了礦物超細加工、形態處理、機械化學改性、電磁輻射、表面處理和摻雜復合等功能化加工技術，指出基於礦物特性的功能化礦物材料開發設計是礦物材料學科體系和產業化的重點發展方向。
非金屬礦；整理；功能化技術；礦物材料。
第壹作者簡介:楊華明，博士，中南大學教授，博士生導師。主要研究領域為礦產資源深加工、功能礦物材料和無機非金屬材料。電話:0731-8830549，電子郵箱:hmyang@mail.csu.edu.cn。
壹.前言
傳統的礦物加工主要是為化工、冶金等工業部門提供合格的礦物原料，不涉及將礦產資源加工成材料。現代高科技的發展對材料性能提出了更高的要求，礦物的吸附、交換、催化、助熔、增韌、增強、光、電、磁、熱、聲等性能及其在各種物理化學場的作用下的變化，為開發具有新功能、新用途的礦物材料奠定了基礎。通過物理和化學加工，將礦物直接制成功能材料，並賦予相應的功能，采用改性和摻雜技術，實現資源與材料的整合，為傳統礦物加工業的技術升級和新型功能材料的制備提供了全新的思路。
礦物材料學科是結晶學、礦物學、礦物加工、材料科學和化學科學交叉融合產生的新的學科生長點，是當前最活躍、最具生命力的新興邊緣學科之壹。礦物材料是高科技新材料的重要組成部分。在國家發改委發布的《當前國家優先發展的高技術產業化重點領域指南》中，與材料相關的22個領域中，礦物材料占11。
研究和應用表明，功能礦物材料具有無可比擬的可加工性、高性能和實用性，壹系列新產品和新功能也給礦物加工業帶來了無限生機。結合材料科學、化學化工、固體物理、力學、環境保護、高效農業等多學科知識，並與現代生物技術、納米技術、信息技術相融合，這些內容形成了新的學科方向。國內外在功能礦物材料、超細粉體的制備、礦物材料的結構和納米礦物的高附加值利用等諸多方面做了大量工作，部分開發產品已投入工業化生產；利用礦物特性，結合現代新技術，開發出納米塑料、納米橡膠、納米介孔材料等新材料，將傳統材料提升到更高的層次——性能更好、應用更廣；同時，對機械化學、機械化學、超細加工、界面化學、摻雜改性等過程的理論問題進行了深入探討，建立了壹系列理論體系，推動了該領域的快速發展。
二、礦物特性及應用性能
礦物特性的研究和表征，以及礦物材料性能與其基本特性、結構和形成機理之間關系的提示和解釋，是礦物材料研究和開發的基礎。礦物的物理和化學特性決定了它們的用途。隨著現代測試技術的發展，人們對礦物的吸附、交換、助熔劑、增韌、增強、光、電、磁、聲、核輻射、表面和界面特性及其在各種物理化學場作用下的變化的研究變得更加直接和富有成果。壹些具有吸附、交換、催化、增強、生物相容性等功能的礦物材料，特別是具有感知、響應、預警等信息功能(如濕敏、熱敏、壓敏、光敏、隱身、抗菌、紅外輻射、光電轉換等功能)的礦物材料將會得到高度重視和開發應用。在建築領域，新世紀的建築材料正朝著更加舒適、安全、節能、保健的多功能“生態建築材料”方向發展；在新型建築材料的發展中，壹些礦物材料將在輕質、保溫和隔熱方面發揮非常重要的作用；在西方，礦物材料也被用於土壤固化和沙漠治理。
第三，礦物材料的超細加工
隨著科學技術的發展，需要能適應高溫、高壓、高硬度條件，具有發光、導電、電磁、吸附等特殊性能的材料。超細粉體材料的研究和發展受到了各國的重視。英國建立了新的先進材料制造技術中心，研究超細粉末材料；超細粉體材料也被列入韓國科學技術院提出的科技發展戰略和五年發展計劃。90年代初，美國將納米(超細粉體)技術列為“政府的關鍵技術”，是20世紀初的重要研究方向。
(壹)超細礦粉的廣泛使用
超細礦物材料在造紙、塗料、塑料、輕工、冶金等行業用作填料和功能材料；作為塗料和顏料中的阻燃劑；還可用作電子、航空工業領域的電容器材料、敏感元件材料、超硬材料、超導材料和光、電、磁、吸波材料。無機超細粉體材料的使用大大提高了其價值。
當超細粉末材料或顏料加入墨水或油漆中時，它們可以使顏色變得明亮和發光。納米二氧化矽可以賦予橡膠極高的拉伸強度、抗撕裂性和耐磨性。超細Fe2O3磁粉用於錄音帶或錄像帶，信息存儲容量比普通磁粉高10倍。隨著粒徑的減小，比表面積增大，材料的力學性能和導熱性能優於普通材料。
(2)超細礦物粉體的發展趨勢
1.非常細微的
十幾年前，超細粉體材料的研究對象是1μm以上的粉體，而近年來，超細粉體材料的研究已經進展到納米級。隨著顆粒尺寸的變小，其自身性能增強，可以綜合光、電、磁特性。表1列出了礦物顆粒加工深度與應用範圍的關系。
表1礦物顆粒的加工深度和應用範圍
2.高純度
高純度是為了排除外來雜質的幹擾，實現物質本身的特性。高純度的產品可以產生巨大的附加值。99.998% ZrO2的價格是普通耐火材料的300多倍，電子材料的50多倍。高純重晶石[w (baso4) > 99%]已用於制備高性能導電材料，廣泛用於導電塑料、導電橡膠和導電塗料，廣泛應用於航空航天、精密電子、通訊技術等領域。
3.功能化和復合
功能化、復合化是人們對材料性能追求的結果，也是高科技發展的需求。比如新型毛細管苯乙烯-二乙烯基堿性離子交換樹脂中由Fe2O3組成的磁性材料，在室溫下具有很強的磁性和良好的透光性。由於這種特殊的功能，在彩色成像和打印方面取得了良好的效果。功能是材料的核心，科技發展需要各種功能的材料；復合的目的是人為賦予材料新的功能。例如，含氧化銻的亞微米氧化錫不僅導電，而且透明。
4.精煉
材料的細化是指粉體性能的細化，如其粒度、粒度分布、顆粒形狀、比表面積、孔容、孔徑、晶相、導電性、磁性、吸光性、導光性等，對不同的粉體有不同的要求。不同形狀的二氧化矽膠囊會產生不同的效果。
四。礦物顆粒的形態處理
非金屬礦物的顆粒形貌處理通常是礦物材料加工的重要內容。礦物顆粒形態處理的關鍵是在破碎、研磨、剝離、解離或疏松過程中，最大限度地保護和顯示礦物晶體的結構特征。除了形態處理，還包括礦物選擇。顆粒的形態處理與礦物整理密切相關。
(壹)充分發揮礦物材料的顆粒形態特征
顆粒形貌對材料的性能和質量有明顯的影響。在制作雲母增強塑料(聚丙烯PP)時，當使用200-HK雲母粉(-62μm占45%，徑厚比為50)時，與使用325-S雲母粉(-62μm占84%，徑厚比為30)相比，制品的拉伸強度和彎曲強度分別比未用雲母增強的聚丙烯提高了8%和8.75%。
當用同壹種礦物原料生產不同的材料時，對礦物顆粒形貌的要求也不同。制造石棉水泥制品時，要求增強纖維中含有壹定量的硬質結構纖維，以利於纖維分散、成型、脫水和過濾，提高挺度。纖維長徑比為25 ~ 80較好。生產石棉紡織制品時，應強調纖維的可紡性，其長徑比壹般大於1000。礦物顆粒的形態處理方法和作用見表2。
表2礦物顆粒形態處理的主要方法
(2)促進礦物顆粒在流體中充分分散。
將礦物顆粒充分分散在液體或氣體中的目的是促進兩相流的化學或物理化學反應，或在液體中形成礦物材料的穩定分散相。分散體和分散相的穩定性主要取決於顆粒的粒徑、顆粒密度、形狀和大小、摩擦系數、介質的粘度、界面電性以及介質與顆粒物質之間的親和力。通常，界面改性材料的制備和礦物顆粒的化學處理要求礦物顆粒具有盡可能小的尺寸；為了制備穩定的分散相材料，還需要改善或改變材料的表面化學活性和介質親和力。
(3)功能礦物材料的形成
礦物材料的細磨或充分疏松可提高其可塑性，便於采用澆註、擠壓、噴塗、復制、成型、膠結、塑性成形等多種手段制成各種成型制品。比表面積的增加可以提高不同物質之間的物理化學反應速度和致密形成能力，同時提高與膠凝材料的粘結能力，改善成型功能礦物材料的加工性能和綜合性能。合理的顆粒級配和纖維長徑比可以提高增強劑在復合材料中的最大堆積密度，從而以最經濟的配方和最少的粘結劑獲得最佳的制品強度和性能。
五、礦物機械化學改性
超細機械作用引起的礦物機械化學變化主要表現為:①形成表面和體缺陷；②表面結構和化學成分的變化；(3)激發表面電子產生等離子體；(4)表面鍵斷裂，引起表面能變化；⑤晶體轉變；⑥納米相復合層和非晶表面的形成。
機械化學改性的主要原因是顆粒的不斷斷裂和離解使表面積和表面能增加，並在表面形成非晶覆蓋層。其吸附容量、電荷密度、水溶性、化學反應活性、團聚行為和粘附能力也迅速增加，主要依賴於顆粒物理特性主導的粗顆粒體積效應，進而成為體積效應和表面效應都占主要地位的另壹類材料。
機械化學為材料的復合，特別是金屬和非金屬多相組分的復合提供了有效的手段。設計表面反應類型，創新粉體改性技術，可使有機物、無機物和金屬顆粒在高能機械外力作用下自組織成新型納米相結構層，為先進無機-有機復合功能材料的改性、設計和開發提供了新的途徑。
六、礦物材料的現場加工
礦物材料的現場處理包括:超聲波改性、電磁波和粒子束輻射改性、微波等離子體改性、熱處理改性等。通過外場的作用，誘發礦物晶格中的缺陷，改變礦物的性質和狀態，激發礦物與其他反應物的化學活性。特別是在礦物材料的表面改性、化學改性、摻雜和重組中，這些反應過程可以通過使用外場來加速。超聲波的高頻比聲波(20 Hz到20 kHz)的能量大。其主要特點是:波長短，能量容易集中，強度大，震動劇烈，還有許多特殊效應，如液相中的空穴效應，產生力學、熱學、光學、電學、化學和生物效應，從而改變礦物的性質和狀態。
根據電磁波波長的不同，電磁波可分為伽瑪射線、紫外線、可見光、紅外線、微波和無線電波。粒子束主要包括電子、中子和各種具有壹定能量的離子束。電磁波和粒子束在礦物加工中應用廣泛。利用輻射改變礦物的性質，如X射線、γ射線可以誘發礦物晶格中的缺陷，激發價帶中的電子進入導帶，從而在價帶中留下空穴；礦物表面的孔洞可以促進陰離子吸附。輻照能產生自由基，加速水中或空氣中礦物質的氧化，能顯著提高化學活性。輻射對礦物接觸角的影響，這些變化在高純礦物提取、礦物分離和界面效應方面有重要應用。如磷酸鹽納米顆粒，傳統加熱法加熱至少3 h，微波輻射約6 min，可得到分散均勻的球形微粉。利用微波等離子體反應制備了粒徑約為65438±00n m的Fe2O3、TiO2、Al2O3納米粉體。礦物材料的化學成分和物理性質也可以通過加熱來改變。例如，高嶺土經過熱處理後，其理化性質發生了變化，主要包括白度增加、密度降低、比表面積增加、吸油量、遮蓋力和耐磨性提高、絕緣性和熱穩定性提高等。熱處理技術在煤系高嶺土的開發利用中起著重要的作用，基本上是壹個必經的過程。
七。礦物材料的表面改性
通過物理或化學方法對礦物顆粒表面進行處理，可以獲得具有特殊表面性質的礦物材料。礦物材料的表面改性主要包括表面金屬化塗層、化學反應沈積、表面化學氣相沈積、表面塗層、潤濕和浸漬、改性劑處理等。
礦物材料表面金屬化的常用方法有:燒結滲銀法；金屬粉末噴塗；真空鍍膜法；電鍍；化學鍍表面金屬化礦物材料比單壹礦物材料具有更好的機械強度和耐磨性，不僅耐腐蝕而且體積密度輕、導電性好、裝飾性好。
化學氣相沈積(CVD)是在相對較高的溫度下，混合氣體與基體表面的相互作用，分解混合氣體中的某些成分，在礦物基體上形成金屬或化合物的固體薄膜或塗層。化學氣相沈積包括等離子體輔助化學氣相沈積(PACVD)或等離子體增強化學氣相沈積(PECVD)和激光化學氣相沈積(LCVD)。氣相沈積的化學反應可以通過等離子體產生或激光照射來激活。CVD技術主要用於在礦物表面沈積貴金屬。礦物基質包括各種耐火石墨、高嶺石、矽灰石等，在高溫下不易被反應性氣體侵蝕。壹些礦物基體的沈積條件如表3所示。
表3某些礦物的化學氣相沈積條件
在礦物表面包覆可以改變礦物材料的性能，旨在改善礦物材料的裝飾外觀或抗氧化性能，提高其應用性能。例如，金屬氧化物顆粒通過金屬化合物的水解反應沈積在雲母表面，以制造珠光雲母。
通過改性劑在礦物顆粒表面的作用，使礦物表面與有機基體有很強的親和力，提高了復合材料的性能。常用的改性劑包括各種偶聯劑、表面活性劑、有機矽、聚烯烴低聚物等。結果表明，改性劑與礦物表面的相互作用主要是化學鍵，也有氫鍵和物理吸附的報道。為了解釋礦物材料與有機基體界面結合的力學形式，提出了變形理論和約束層理論。改性劑處理主要用於生產礦物材料，用於塑料和橡膠的增強。
八、礦物材料摻雜及復合技術
摻雜復合壹直是礦物材料研究中的重要課題。新材料的研究主要是關於材料摻雜改性的摻雜劑的選擇、摻雜方法的實驗、合理摻雜含量的確定等實驗和理論研究。理論上，人們經常用量子力學理論計算摻雜引起的雜質能級、點缺陷形成能和能帶結構的變化，用量子化學理論計算雜質的鍵價與材料結構的關系。
摻雜復合過程不僅僅是壹個簡單的物理化學過程，還包括晶體結構的變化，涉及到固態物理、結構化學、表面化學等多個學科。礦物顆粒可以在化學處理過程中直接或通過摻雜(添加摻雜劑)改變礦物的結構，實現電、磁、光等功能。常用的摻雜方法主要有直接添加、反應性(如* * *沈澱)摻雜、高能輻照摻雜等。復合主要側重於復合材料的制備。
研究重點是摻雜劑的設計、最佳摻雜量的計算和材料應用性能的開發。
九、礦物材料的發展前沿
對材料加工和性能的高要求使得礦物材料的發展日新月異。高科技的滲透和多學科的交叉，為礦物材料的物理加工帶來了許多新的思路。礦物材料的結構、尺度和物理化學性質的基礎研究，從礦物組分的離子化合價、配位、定域、對稱、有序、成鍵、電子結構、磁性和電荷密度分布到原子和電子結構、分子結構、晶體結構、相結構、晶粒結構、表面和晶界結構、缺陷結構等。從亞納米、納米、微米到毫米以及更宏觀的結構層次研究礦物材料的物理化學性質，為礦物材料的研究提供基礎信息。
礦物材料科學是以工業礦物學和工藝礦物學為先導發展起來的新興邊緣應用學科，目前基本局限於最簡單的初級利用和簡單的粗加工階段。隨著國民經濟的發展，這種狀況遠遠不能滿足要求，這表明要向其縱深方向發展，必須進行精細加工。受新型碳材料發展的啟發，我們認為有必要開展原子分子尺度的結構工程研究。二戰後，經濟快速發展的壹個重要原因是得益於高附加值的礦物材料深加工研究。因此，礦物材料研究前沿的核心在於以下兩個方面:①從礦物材料最本質的結構出發，研發高附加值、超性能的新材料。在礦物結構的基礎上，進行分子和原子工程改性，改變礦物材料的結構，改善其性能，從而創造新材料，提高性價比。②研究礦物晶體結構與材料性能的關系，創造具有納米尺度結構的新型功能材料。從礦物晶體結構進行的工作已經能夠證明這壹點。包含、再生和環狀結構已經被用於制造微電容器。當內部粒子導電，外部環不導電時，就會產生數百萬個微電容，在功能材料中已經得到很好的應用。這主要來自於礦物巖石的晶界和晶粒結構的研究。能否用礦物的孿晶結構制成新的功能材料，應主要根據組成孿晶的零件的結構和性能差異來考慮。這個想法會讓人進入壹個非常靈活奇妙的視野。需要研究的主要方向有:
1)開發能制備粒度均勻或粒度窄的超細礦物顆粒的物理加工技術和設備，以滿足特殊功能的需要，如精密機械拋光、光電材料等；
2)發展能保持層狀、多孔狀等特殊礦物原有結構的加工技術，充分發揮材料的功能；
3)礦物材料、聚合物、納米材料的復合技術，復合技術的界面研究；
4)礦物微觀結構和應用性能的研究；
5)物理加工中摻雜劑和改性劑的結構設計以及結構與性能之間的定量關系；
6)納米礦物材料的結構、性能及應用開發研究。
非金屬礦產資源直接制備高性能礦物材料的關鍵技術及發展方向
楊華明、邱冠洲、王殿佐
(中南大學資源加工與生物工程學院，湖南長沙410083)
文摘:資源與材料壹體化的核心是發展從礦物資源直接制備先進材料的通用技術，建立基礎理論，形成新的礦物材料學科體系。礦物資源的精細加工是指礦物的超細技術、高品位提純、表面改性和功能化。礦物材料已廣泛應用於高科技材料、環境保護、電子信息、電機材料等領域。本文圍繞礦物特性與應用特性的關系，介紹了超細粉體、形態處理、機械化學改性、電磁輻射、表面處理和摻雜等加工技術。指出基於礦物特性的功能材料開發設計是礦物材料學科體系和產業化的重要發展方向。
關鍵詞:非金屬礦物、深加工、功能化技術、礦物材料。