第九章节矿物材料课件

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1、作 业,1、层状粘土矿物结构特点和物理性能特点 2、说明铝在硅酸盐中的两种存在形式。 3、硅酸盐的主要络阴离子类型,第九章 矿物材料,目录,1、概述 2、矿物材料应用 3、矿物材料论述,9.1.1 矿物材料概念,以天然矿物（主要是非金属矿物）和岩石为主要原料，以利用其技术物理性能和化学性能为主要目的，经过必要的加工处理和制备后所获得的材料产品。,9.1 概 述,返回目录,矿物材料是从矿物和岩石的物化性质出发进行材料的生产加工和应用的。而不是为提取其中的某些化学元素；若与化学成分有关也是整体利用矿物的化学组成，如利用高岭石制备4A沸石.,矿物材料属于无机非金属材料的范畴，是无机非金属材料的重要构

2、成部分，也可以是矿物材料与金属材料、其他无机非金属材料或有机材料任二者形成的复合体，即复合矿物材料 .,9.1.2 矿物材料分类,天然矿物材料 是指将天然矿物或岩石原料经物理加工后，没有改变矿物岩石原料的成分和结构，而制成的具有一定性能和用途的矿物材料。 如宝石、玉石、大理石、花岗石、重钙粉、石英粉、石棉绳(布)、作为矿物中药的石膏、滑石等、作为矿物肥料的蛭石、蛇纹石、海绿石等 。,人工矿物材料,是指从天然矿物和岩石本身的物理化学性质出发，将天然矿物岩石原料或与天然矿物理想成分相当的化工产品经物理或化学加工后，制成的具有一定性能和用途的矿物材料。 人造红宝石、人造水晶、煅烧高岭土、轻质碳酸钙、

3、4A沸石等等.,改性(含改型)矿物材料,是指将天然或人造矿物或岩石原料经物理或化学加工后，矿物岩石的性能产生了定向性的变化，但矿物岩石主体的成分和结构没有产生明显的变化，而制成的具有一定性能和用途的矿物材料。,活性白土、有机蒙脱石、珠光云母粉、改性碳酸钙、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、膨胀石墨、石墨乳、涂敷石棉等等,复合矿物材料,将天然矿物材料、人工矿物材料、改性矿物材料与少量有机材料任二者以上，经物理加工后而制成的具有一定性能和用途的矿物材料。 石棉刹车片、绝缘云母纸(板、带)、人造大理石、蒙脱石有机物纳米复合材料、石棉纳米电缆与半导体量子线等等。,矿物材料的用途分类,信息技术矿物材料 能源技术矿物

4、材料 生物技术矿物材料 环境协调型矿物材料（绿色建材） 纳米矿物材料（超细粉体） 航空航天技术矿物材料,9.1.3 矿物材料学,以结晶学与晶体化学、矿物学与岩石学和材料科学的相关理论基础，来研究矿物材料性能与其物理组成和结构之间的关系，研究矿物材料性能与原料特性和加工制备技术之间的关系，研究矿物材料和应用效果和反响，探索矿物材料加工的新技术、新工艺、新设备，进而开发研制新型矿物材料。,矿物材料学的研究内容,1、基础理论研究 主要研究矿物材料成分、微观结构与宏观物理性能和化学性能之间的关系以及表征方法,2、矿物材料加工与制备技术研究 生产工艺、工艺流程、设备选型、最佳配方、最佳工艺参数、成型技术

5、、固化技术。,3、矿物材料应用研究 应用中性能变化、与环境协调性、对环境的修复功能、再循环利用等。 4、矿物新材料设计研究 材料学理论和计算机技术结合，根据材料性能的具体要求，对材料配方、加工制备技术、生产工艺、材料性能进行预测。,9.1.4 矿物材料生产工艺,1、原材料的选择方法和依据 2、原料加工工艺技术 3、配方及多相体系物料制备工艺技术 4、矿物材料工艺技术 5、矿物材料固化工艺技术 6、矿物材料后处理工艺技术,9.2 矿物材料应用,1、原料 提取有用成分； 或作其它原料如：高岭土是制备陶瓷的原料 2、利用矿物某种特殊性能以其本身直接做材料使用：如金刚石,返回目录,9.3 矿物材料论述

6、,返回目录,9.3.1 功能矿物材料,电、磁、光、吸波、屏蔽、催化、吸附、流变、抗(杀)菌、脱色 、压电、光电、热电、红外辐射等具有感受、转换、传输、显示和存储等功能的矿物材料。,举例说明,1、石英具有压电性 2、电气石具有热电性和高红外辐射性能 3、磁铁矿具有磁性 4、闪锌矿作紫外半导体激光材料 5、纳米锐钛矿具光催化活性 6、蒙脱石具有脱色功能 7、沸石作分子筛,9.3.1.1 影响非金属矿物材料功能的因素,（1）矿物组成、化学成分和结构 石英和硅藻土，化学成分虽都是二氧化硅，但前者为晶质结构(硅氧四面体)，而后者为结构复杂的非晶质多孔结构，因此，它们的应用性能或功能不同。,（2）矿物的粒

7、度大小和形状 多数非金属矿物功能性的发挥有赖于粒度大小、分布及粒形。因此，粉碎分级技术，尤其是超细粉碎和精细分级以及特殊粒形(如片状、针状、球状等)加工技术对非金属矿物功能的发挥是非常重要的 。,（3）矿物的表面性质 很多功能取决于矿物原料的表面或界面性质，如吸附、催化、电性、光性、流变、分散及与材料中其它组分的相容性等 。 矿物的表面性质既与先天因素即矿物的组成、化学成分和结构有关，也与加工技术有关 。,9.3.2 光学矿物材料,1、如石英：作棱镜等光学仪器。 2、冰洲石：具有双折射现象。 3、萤石：光学材料，夜明珠。 4、闪锌矿作紫外半导体激光材料 5、电气石具有高红外辐射性能,9.3.3

8、 特种矿物材料,根据特定的矿物(主要是非金属矿物)原料的物理化学性质和工艺特性，经过高新技术深加工处理或人工合成，形成具有特殊性能和多用途的功能材料 。 密封材料、导电涂料、润滑材料、保温隔热材料、轻质高强建筑装饰材料、分子筛以及催化、吸附与过滤材料、合成晶体材料和高硬耐磨材料等 。,9.3.4 环保矿物材料,用稀土、沸石、海泡石、膨润土、硅藻土等矿物所具有的优良的吸附性、离子交换性等物理化学性质，并经深加工改性复合制成的环保矿物材料及其制品，具有独特优良的对水体和气体除臭、净化等治废处理效果。,9.3.5 功能晶体材料,如人工合成的刚玉、钇铝榴石(YAG)、钆镓榴石(GGG)及人造金刚石等人

9、工晶体被誉为空间时代的材料，是现代高新技术必不可少的功能晶体材料之一。,金刚石及金刚石薄膜除作常用的超硬磨切钻材料外，也是微波器、高功率电子元件、高保真音响元件和激光器件理想的热敏元件材料、光敏元件材料和传声材料等。 由于金刚石与目前作电子元件材料的单晶硅比较具有更优越的电学特性，世界发达国家已把它列为21世纪最有前景的高新技术开发的新材料研究课题 。,9.3.6 超硬材料,合成的人造金刚石和立方氮化硼成为超硬材料中制造切磨工具的佼佼者，其中，立方氮化硼多晶复合材料(PCBN)是近几年发展起来的一种性能优异的超硬材料，具有耐磨性高、耐热性好、与黑色金属不起亲和反应等优点，是制作数控机床等必备的

10、刀具材料，用于高硬度、高耐磨性、高精度材料的加工 。,9.3.7 保温节能矿物材料,膨润土、硅藻土、珍珠岩和海泡石等矿物经膨胀、改性复合后，可成为高强轻质的保温隔热隔音材料，在冶金、建材等领域获得广泛应用。 高纯超细石英粉不仅是光导纤维、计算机存贮芯片及高清晰显像管的重要材料，也可制作耐高温硅酸钙保温材料及红外陶瓷材料 。,9.3.8 工程密封材料,利用膨胀石墨固有的耐高温、抗腐蚀、自润滑、低密度、可塑性等优异特性，研制成功新型密封材材，应用于各类机器和工程管道的动、静压密封效果十分理想，故得到迅速发展，成为当今世界的“密封材料之王” 。,9.3.9 精密陶瓷材料,由滑石、堇青石、顽火辉石、高

11、岭石、重晶石、天青石、金红石等矿物材料深加工而形成的电子陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷和金属陶瓷材料，广泛应用于无线电、半导体、原子能和火箭等技术领域。,9.3.10 磨擦材料,作为制动或传动必需部件，是关系到安全可靠性的关键基础部件，目前以石棉为主导，鉴于石棉有害健康，正在积极开发无石棉摩擦材料。 高纯超细的石墨粉、高纯辉钼矿粉则是较理想的润滑材料 。,9.3.11 天然纳米矿物材料,蛋白石是一种含水非晶质或胶质二氧化硅，其化学组成为SiO2nH2O。 分土状(蛋白土)与块状(蛋白石)，前者为SiO2纳米微粒构成的土状粉体，后者或为SiO2纳米微粒粘结在一起构成的块体，或为介孔状块体（2-50nm

12、) 。 天然蛋白石和蛋白土用酸处理后具有很好的吸附性和脱色力，并可用作分子筛、催化剂、吸收剂和脱色剂。,蒙脱石、皂石等是层状结构硅酸盐矿物，它们在一定的地质条件下可形成在厚度上为纳米尺寸的片状晶体，经分散处理后可制成无机凝胶，用于化妆品、牙膏、特种涂料和油漆中作胶体稳定剂、稠化剂等 .,沸石、海泡石、坡缕石是具有纳米通道结构的天然纳米结构矿物材料。由于它们具有非常大的内表面积和一定的离子交换性，因此广泛用作吸附剂、催化剂载体和抗菌剂载体等。 国内外已对沸石的纳米结构进行了研究，并利用沸石的纳米结构进行了半导体量子纳米团簇的组装和应用研究； 国外也在海泡石的纳米通道结构中组装GaAs半导体和发光

13、体纳米量子线的研究，并发现了特殊的纳米效应和性能，为量子纳米器件的组装奠定了基础 。,9.3.12 合成纳米矿物材料,合成纳米矿物材料是利用非金属矿物的成分、结构和形成条件等，通过物理或化学加工方法制成的具有一定性能和用途的纳米矿物材料。 合成纳米矿物材料与天然矿物的成分、结构和性能特征几乎相同，但成分更纯，性能更加优良和突出。,纳米二氧化钛具有湿敏、气敏及光催化等功能，在特种陶瓷、涂料、抗菌材料、隐形与屏蔽材料等方面具有重要的意义。 纳米白炭黑、氧化铝、氧化镁等应用领域非常广泛，并在高新技术材料的应用中占有重要的地位 。 以蛇纹石矿和煤系高岭土为原料，通过化学处理，用水解与均匀沉淀法制备纳米

14、SiO2、纳米MgO和纳米A1203 粉体 。,9.3.13 改性纳米矿物材料,改性纳米矿物材料是利用非金属矿物的纳米属性将非金属矿物经物理或化学方法加工后，使矿物的性质产生定向性的变化而制成的具有一定性能和用途的纳米矿物材料。 在改性纳米矿物材料中研究和应用最为成功的是膨润土经提纯、改性和分散处理后获得的纳米蒙脱石，主要应用于塑料改性，制备纳米工程塑料和食品包装材料等。,柱撑粘土矿物是由柱化剂在具层状结构的粘土矿物层间呈柱状支撑结合所形成的一种新型层柱状矿物材料。 用于制备柱撑粘土矿物的矿物原料主要有蒙脱石、累脱石、蛭石等。柱撑粘土矿物是将粘土矿物经离子交换改性而制成的 。具有很大的比表面能

15、及吸附、催化活性。 在石油冶炼(催化、裂化、环氧化等方面)及吸附、脱色等领域有着广泛的用途和巨大的潜力。,石墨层间化合物是利用石墨的纳米结构特点，使化学反应物质插入石墨层间，并与碳原子键合，形成一种具有新性质而且不破坏石墨结构的化合物。插人石墨层间的物质可以是金属阳离子、卤素、金属卤化物与氧化物及分子型化合物等。 利用石墨层间化合物可以制备膨胀石墨、柔性石墨、氟化石墨等等。这些产品既延续了石墨的优良性质，又赋予新的特殊性能 。,9.3.14 复合纳米矿物材料,复合纳米矿物材料是将矿物材料等与其它材料任二者以上经物理或化学加工后而制成的无机/无机或无机/有机复合材料 。 间层矿物是天然复合矿物材料，不同矿物晶层的交替排列形成了复合纳米结构层。这种纳米复合结构的金属氧化物涂层已应用于飞机、舰艇隐形等军事或民用屏蔽领域中。,