矿物材料第二讲

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1、矿物材料的制备与应用 东北大学矿物材料与粉体技术研究中心 韩跃新 1、前言 v材料是人类用于制造物品、器件、构件或其他产 品的物质。材料是物质，但不是所有的物质都可 以称为材料。如燃料和化学原料、工业化学品、 食物和药物，一般都不算是材料。 v材料是人类一切生产和生活活动的物质基础，历 来是生产力发展的标志，是人类进步的里程碑。 v纵观人类发现材料和利用材料的历史，每一种重 要材料的发现和广泛应用，都会把人类支配和改 造自然的能力提高到一个新水平。 v物理化学属性：金属材料、无机非金属材料、 有机高分子材料、复合材料 v用途：电子材料、航空航天材料、核材料、建 筑材料、能源材料、生物材料 v结

2、构材料与功能材料 v传统材料与新材料 v早在一百万年以前，人类开始使用石头作为工具，使 人类进入了旧石器时代。大约1万年以前，人类知道对石 头进行加工，使之成为精致的器皿或工具，从而使人类 进入了新石器时代。在新石器时代，人类开始用皮毛遮 身。8000年前中国就开始用蚕丝做衣服，4500年前印 度人开始种植棉花，这些都标志着人类使用材料促进文 明进步。在新石器时代，人类已经知道使用自然铜和天 然金，但毕竟数量太少，分散细小，没有对人类社会产 生重要影响。 v大约在80009000年前，人类还处于新石器时代，已 经发明了粘土成型，再火烧固化而成为陶器。陶器的出 现，不但用于器皿，而且成为装饰品，

3、是对人类文明的 一大促进，历史上虽无陶器时代的名称，但其对人类文 明的贡献是不可估量的。在烧制陶器过程中，偶然发现 金属铜和锡，进而又生产出色泽鲜艳、又能浇注成型的 青铜，从而使人类进入青铜时代。这是人类大量利用金 属的开始，也是人类文明的重要里程碑。中国的青铜器 在公元前2700年已经使用了，至今约5000年的历史。 v公元前1314世纪，人类开始用铁，3000年前铁工具 比铜工具更为普遍，人类开始进入了铁器时代。中国最 早出土的人工冶铁制品约在公元前9世纪。到春秋（公 元前770476）末期，生铁技术有较大突破，遥遥领先 于世界其它地区，如用生铁退火制成韧性铸铁以及生铁 炼钢技术的发明，促

4、进了生产力的大发展，对战国和秦 汉农业、水利和军事的发展起到了很大的作用。 v随着世界文明的进步，18世纪发明了蒸汽机，19世纪发明了电 动机，对金属材料提出了更高的要求，对金属材料提出了更高的 要求，同时对钢铁冶金技术产生了更大的推动作用。1854年和 1864年先后发明了转炉炼钢和平炉炼钢，使世界钢产量有一个飞 速发展。随着电炉冶炼的开始，不同类型的特殊钢相继问世，如 1887年高锰钢、1900年18-4-1（W18Cr4V)高速钢、1903年硅钢及 1910年奥氏体镍铬（Cr18Ni8)不锈钢，把人类带进了现代物质文 明。在此前后，铜、铝也得到大量的应用，而后镁、钛和很多稀 有金属都相继

5、出现，从而使金属材料在整个20世纪，占据了结构 材料的主导地位。 v随着有机化学的发展，19世纪末叶西方科学家仿制中国人 造丝绸发明了人造丝，这是人类改造自然材料的又一里程碑。 20世纪初，人工合成高分子材料相继问世，如1909年的酚醛 树脂，1920年的聚苯乙烯，1931年的聚氯乙烯及1941年的尼龙 等，以其优异的性能，及资源丰富、建设投资少、收效快而得 到迅速发展。目前世界三大有机合成材料（树脂、纤维、橡胶 ）年产量愈亿吨。而且有机材料的性能不断提高，附加值大幅 度增加，特别是各种聚合物正向功能材料各个领域进军，显示 其巨大的潜力。 v陶瓷本来用作建筑材料、容器或装饰品等。由于其资源丰富

6、、 密度小、高模量、高硬度、耐腐蚀、膨胀系数小、耐高温、耐磨 等特点，到了20世纪中叶，通过合成及其他制备方法，做出了各 种类型的先进陶瓷（如Si3N4、SiC、ZrO2等），成为近几十年来 材料中非常活跃的研究领域，有人甚至认为“新陶器时代”即将 到来。但由于其脆性问题难以解决，且价格过高，作为结构材料 没有得到如钢铁或者高分子材料一样的广泛应用。 钧瓷 汝瓷 定瓷 官瓷 哥瓷 唐三彩 v复合材料是20世纪后期发展的另一类材料。事实上人 类很早就制造复合材料，如泥巴中混入碎麻或麦秆用以 建造房屋，钢筋水泥是脆性材料和韧性材料的复合。近 几十年来，利用树脂的易成型和金属的韧性好，无机非 金属材

7、料的高模量、高强度、耐高温，做成了树脂基复 合材料或金属基复合材料，前者已经得到了广泛的应用 ，后者以其价格高和制作困难而受到了一定的限制。为 了改善陶瓷的性能，也制成陶瓷基复合材料。碳是使用 温度最高的材料（可达2500），为了克服热震性能差 ，并提高其力学性能，而制出的碳-碳复合材料已经广泛 用于军工，并扩展到民用。 v复合材料(Composite materials)，是以一种材料为基 体(Matrix)，另一种材料为增强体(reinforcement)组合而 成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同 效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各 种不同的要求。复合材料的基体

8、材料分为金属和非金属 两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。 非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨等。增 强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、 碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。 v复合材料是一种混合物。复合材料按其组成分为金属与金属复 合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按 其结构特点又分为：纤维复合材料。将各种纤维增强体置于基 体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。夹层 复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强 度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。分为实 心夹层和蜂窝夹层两种。细粒复合材料

9、。将硬质细粒均匀分布 于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。混杂复合材料。由 两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普 通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著 提高，并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹 芯混杂、层内层间混杂和超混杂复合材料。 v复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是密 度小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料， 其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳 定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝 缘等性能。石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材 料。纤维增强材料的

10、另一个特点是各向异性，因此可按制件不同 部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强的 铝基复合材料，在500时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅 纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机 风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合，使用温度可达1500，比超 合金涡轮叶片的使用温度（1100）高得多。碳纤维增强碳、石 墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧蚀材料，已用于航 天器、火箭导弹和原子能反应堆中。非金属基复合材料由于密度 小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤 维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与 重量大5倍多的钢片弹簧相当。 v功

11、能材料自古就受到重视，早在战国时期（公元前3世纪）已 经利用天然磁铁制造司南，到宋代用钢针磁化制出了罗盘，为航 海的发展提供了关键技术。功能材料是信息技术和自动化的基础 ，特别是半导体材料出现以后，加速了现代文明的发展，1947年 发明了第一支具有放大作用的晶体管，10余年后又研制成功集成 电路，使以硅材料为主的计算机功能不断提高，体积不断缩小， 价格不断下降，加之高性能磁性材料的不断涌现，激光材料与光 导纤维的问世，使人类进入了信息时代。因为硅是微电子技术的 关键材料，所以有人称之为“硅片为代表的电子材料时代），再 一次说明材料对人类文明所起的作用。 矿物材料是指以天然矿物或岩石为主要原料经

12、加 工、改造所获得的材料或者能直接应用其物理、 化学性质的矿物或岩石，其含义包括四个方面： 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； 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； 人工合成的矿物或岩 石； 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。 矿物材料的分类 v根据矿物材料成分结构和加工改造特点，可将矿物材 料分为四大类 v(1) 天然矿物材料。指直接利用其物理、化学性质的矿 物或岩石，经物理加工未改变原料成分和结构为特征， 包括填

13、料类、装饰类、光学类、中药类、研磨材料类、 保健营养类和隔热材料类等； v(2) 改性矿物材料。矿物(岩石)进行超细、超纯改型、 改性等加工改造后，改变或部分改变了原料的成分或结 构，包括表面改性类，成分改性类，以及结构改性类等 ； v(3) 人工矿物材料。是模拟天然矿物或岩石生成 的原理采用人工合成的矿物材料。包括人工晶体 、多孔材料、纳米矿物粉体材料等。 v (4) 复合矿物材料。复合矿物材料是具有不同相 组成的人工合成矿物材料，包括矿物有机复合 类(如石棉、蛭石与高分子材料合成的摩擦材料、 密封材料、绝缘材料等)以及矿物无机复合类(如 矿物纤维增强的无机胶凝材料、矿物为主骨架的 建筑材料

14、、绝热保温材料、电功能材料等)。 矿物材料的制备方法 （1）气相法制备超细矿物粉体 物理气相沉积法(PVD)、 化学输送法(CVT) 化学气相沉积法(CVD) （2）液相法制备超细矿物粉体 反应沉淀法、 溶剂蒸发法、 醇盐水解法、 溶胶凝胶法 （3）固相法制备超细矿物粉体 机械合金化、 固相反应法 （4）矿物材料水热法制备 2、矿物材料研究的基本问题 （1）矿物材料的合成机理 v研究矿物材料的制备机理，可提高矿物 材料制备过程的可控性。采用化学法制备 粉体材料的过程中，通过结晶过程及颗粒 形成机理的研究，对颗粒形状、粒度和粒 度均匀性的控制均具有重要的指导作用。 研究硅灰石的破碎机理，有利于选

15、择更合 适的破碎方式，制备高长径比的硅灰石针 状粉。 （2）矿物材料的制备工艺与技术开发 v任何一种新的矿物材料从发现到应用于实际， 必须经过适宜的制备工艺才能成为工程材料。以 石墨为原料可以制备石墨层间化合物、柔性石墨 、氟化石墨、胶体石墨等先进的矿物材料。每一 种材料都有其特定的制备工艺。矿物材料制备工 艺的重点:一是工艺流程的智能化;二是实现原子 或分子加工，使材料或器件依照人们的意志达到 微型化、功能化和智能化。 具体的研究方向： 开发节约资源、低污染的生产流程。膨 润土矿物材料制备过程中对环境的污染问题 发展环境友好材料，或称为环境材料。 膨润土、沸石、硅藻土等环境材料 开发高性能、

16、长寿命材料是节约能源、 减少污染最有效的途径。石墨密封材料。 用高新技术改造传统矿物材料生产流程 。纳米碳酸钙、膨润土插层纳米塑料 （3）矿物材料的应用研究与开发 v试验研究出来的具有优异性能的材料不等于 有实用价值，必须经过大量的应用研究，才能 发挥其应有的作用。材料的应用应考虑以下几 个因素： v一是矿物材料的使用性能；二是使用寿命及 可靠性；三是环境适应性；四是价格。 （4）研究矿物材料产品的标准化及 相应的检测技术 v经济全球化必然要求产品的标准化和相应配套 的检测技术。这一领域的落后局面，已成为我国 非金属矿物材料出口创汇的障碍。分步骤、针对 市场潜力大、资源优势明显的非金属矿物材料， 逐步分矿种建立一套完善的标准化体系和相应的 检测技术是十分关键的问题。 v化学成分、粒度、白度、比表面积等等。 3、东北大学矿物材料与粉体技术研究 中心有关矿物