杨华明 周灿伟 李云龙

　　传统矿物加工主要为化工、冶金等提供合格的原料，而不涉及矿物资源加工成材料。现代高新技术的发展对材料性能提出了更高的要求，通过物理和化学加工将非金属矿直接制成功能材料，并用改性、掺杂技术赋予相应的功能，以实现资源一材料的一体化，为传统矿物加工行业的技术升级和新型功能材料的制备提供了全新的思路。研究和应用表明，非金属矿物材料具有普通材料无可比拟的可加工性、高性能和实用性，由此引发的一系列新产品、新功能开发也结矿物加工带来了无限生机，与材料学、化学化工、固体物理、机械学、高效农业等多学科相结合，并与现代生物技术、纳米技术和信息技术融合，形成了新的学科方向和生长点。国内外在非金属矿物材料制备技术开发的同时，对机械化学、机械电化学、超微细加工、界面化学、掺杂改性等过程的理论问题进行了深入探讨，建立了一系列理论体系，推动了该领域的迅速发展。

　　1 非金属矿特性与应用性能

　　非金属矿特性的研究、表征，以及对矿物材料性能与基本特性、结构、形成机制之间关系的提示和诠释，是矿物材料研制和开发的基础。非金属矿物的物理化学特性决定了它的用途，如沸石类，起分子筛的作用，因此在净化废水、废气和环保上有着广泛的应用。现代测试技术的发展，使人们对矿物吸附、交换、助熔、增韧以及光、电、磁、声、核、表面、界面等特性及其在各种物理、化学场作用下变化的研究变得更为直接和富有成效。一些具有吸附、交换、催化、增强、生物相容性等功能的矿物材料，特别是具有感知、响应、预警等信息功能的矿物材料（如湿敏、热敏、压敏、光敏、隐身、抗菌、红外辐射、光电转换等功能）将会受到高度重视和研发应用。在建筑领域，新世纪的建材向更加舒适、安全、节能、保健等多功能的“生态建材”方向发展，在新型建材开发中，非金属矿物材料必将扮演十分重要的角色，非金属矿物材料目前己用于西部土壤国化和沙漠治理。

　　2 非金属矿的超微细加工

　　随着科技的发展，需要既能适应高植、高压、高硬度条件的材料，又具有能发光、导电、电磁、吸附等特殊性能的材料。超微细粉体材料的研究开发受到各国重视。英国成立了新型先进材料制造技术中心，研究超微细粉体材料及韩国科学技术研究院提出的科技发展战略及五年发展计划中，也列出了超微细粉体材料：美国20世纪90年代初就把纳米（超微粉） 技术列入“政府关键技术”及21世纪初的重要研究方向。

　　随着各国开发力度的加大，新品种也层出不穷。近两年德国德固萨公司不断推出了不同用途的Si02系列品种；美国PPG公司推出消光剂等系列超细Si02新品种。据初步统计，Si02新品种的开发涉及到十余家公司、几十个品种。

　　3.l 超微细非金属矿物粉体的广泛用途

　　在造纸、油器、塑料、轻工、冶金等工业中作填料和功能材料；在涂料、颜料中作阻燃剂；在电子、航空工业尖端领域中还可作电容器材料、敏感元件材料、超硬材料、超导材料及光、电、磁、波的吸收材料等。无机超微细粉体材料的使用使其价值大幅度提升。

　　超微细粉体材料或颜料加到油墨或油漆中时，可使色彩艳丽而发光。纳米级白碳黑能赋予橡胶极高的抗张强度、抗撕裂性和耐磨性。超微细Fe203 磁粉在录音带或录像带中，信息储存量比普通磁粉高10倍。随着粒径的减小，比表面积增大，使材料机械性能、热传导性能比-般材料优异。

　　3.2 超微细非金属矿物粉体的发展动态

　　(l)超微细化

　　十多年前超微细粉体材料的研究对象是lμm 以上的粉体，近年来超微细粉体材的研究已进展到纳米级。随着颗粒度变小，使其本身性能增强，并可使光、电、磁特性兼于一身。表1 列出了矿物颗粒加工深度与应用范围的关系。

　　表1 非金属矿物颗粒加工深度及应用范围­

　　非金属矿物的颗粒形态处理通常是非金属矿物材料加工的一个重要内容。非金属矿物颗粒形态处理的关键是在粉碎、磨剥解离或松解过程中，最大限度地保护矿物晶体结构特征。在形态处理的同时也包含非金属矿物精选。颗粒的形态处理与矿物精加工密不可分。

　　4.l 充分发挥非金属矿物的颗粒形态特性

　　颗粒形态对材料性能与质量有明显影响。制造云母增强塑料( 聚丙烯PP)时，使用200-HK云母粉(-62μm占45%，径厚比50)比使用同样比例的325-S 云母粉(-62μm占84%，径厚比30)，其制品抗拉强度提高8%，弯曲强度提高8.75%： 未使用云母增强的聚丙烯(PP)制品强度分别提高34%及43.75%。

　　同一种矿物原料生产不同材料时，对矿物颗粒形态的要求也不同。制造石棉水泥制品时要求增强纤维中含有一定量的硬结构纤维，以利于纤维分散及成型脱水过滤，并改善刚度，纤维长径比25——80 效果良好。生产石棉纺织制品时则要强调纤维的可纺性，其长径比一般大于1000。矿物颗粒的形态处理方法及功能见表2 。

　　表2非金属矿物粒形态处理的主要方法

　　4.2 促使矿物颗粒充分分散于流体中

　　使矿物颗粒充分分散到液体或气体中，目的是促进两相流的化学或物理化学反应，或者使矿物材料在液体中形成稳定的分散相。分散及分散相的稳定程度主要决定于矿物的粒径大小、颗粒密度、形状尺寸、摩擦系数、介质粘度、界面电性以及介质与颗粒材料的亲和能力等。通常制备界面改性材料。

　　4.3 功能矿物材料的成型

　　细磨或充分松解的矿物材料可以改善它的可塑性，便于使用浇灌、挤出、喷射、抄取、摸压、胶结、塑性成型等各种手段制取各种成型制品。比表面积的增大可改善不同物质之间的物理化学反应速度和紧密成型能力，同时提高与胶结材料的粘结能力，改善成型性功能矿物材料的加工性、提高综合性能。合理的颗粒粒级配比及纤维长径比的配合，可以提高复合材料中填充增强剂的堆砌最大密度，从而以最经济的配方和最少的粘结剂，取得最好的制品强度与性能。

　　5 非金属矿物的机械化学改性

　　矿物磨碎过程中，随着比表面积的增加，过度粉碎会形成矿物晶体破裂，产生破碎断键。干磨时，空气中的氧易于同矿物表面作用，导致出现费米能级的降低。超细机械作用导致的机械化学变化主要表现在：①形成表面和体相缺陷；②表面结构及化学组成发生变化；③表面电子受力被激发，产生等离子体；④表面键断裂，引起表面能量变化；⑤晶型转变；⑥形成纳米相复合层及非晶态表面。

　　机械化学改性的最主要原因是：颗粒的不断破裂解离使表面积增大，同时表面能也不断增加，并形成表面非晶态覆盖物。其吸附能力、电荷密度、水溶性、化学反应活性、聚团行为及粘附能力也迅速增加。主要取决于以颗粒物理特性为主导的体积效应的粗颗粒进而变为体积效应与表面效应均占主要地位的又一类材料。机械化学为材料复合，尤其是金属一非金属的多相组分复合提供有效的手段，设计表面反应的类型、革新粉体改性技术，可使有机物、无机物及金属微粒等在高能机械外力的作用下，自组合成(self- organization) 新颖的纳米相结构层，为粉体材料的改性和设计以及开发先进的无机-有机复合功能材料提供新的途径。

　　6 电磁波及粒子束辐射改性非金属矿物

　　利用辐射改变矿物性能，一般认为X射线，γ射线可诱发矿物晶格产生缺陷，可激发位于价带的电子进入导带，从而在价带留下空穴，矿物表面的空穴促进阴离子吸附的作用。此外照射还能产生自由基，加速矿物在水中或空气中的氧化。溶于水中的氧在射线辐射下生成臭氧，从而显著提高化学活性。利用这些变化在高纯矿物提取、矿物分离和界面效应等方面具有重要的应用。

　　7 非金属矿物材料表面金属化处理

　　非金属矿物或岩石粉体进行表面镀层金属化处理，是电刷镀技术与其他表面处理技术相结合的产物，是非金属材料表面复合金属的应用新进展可获得比单一矿物材料更好的机械强度与耐磨性，不但耐蚀而且容重轻，导电性、装饰性好，可大量节约稀缺的贵重材料，降低成本、延长使用寿命。

　　非金属矿物材料表面金属化常用的方法包括：烧结渗银法； 金属粉末喷涂；真空镀膜法；电镀；化学镀。

　　8 非金属矿物材料的表面化学气相沉积(CVD)

　　化学气相沉积是在高温下，混合气体与基体表面相互作用，使混合气体中的某些成分分解，并在矿物基体上形成一种金属或化合物的固态薄膜或镀层。这类技术包括等离子体辅助CVD(PACVD) 或等离于体强化CVD(PECVD)，以及激光CVD(LCVD)。CVD技术主要用于在矿物表面镀贵金属镀层，矿物基体包括各种难熔的石墨、高岭石、硅灰石等，它们在高温下不易被反应气体侵蚀。

　　9 非金属矿物材料的掺杂和复合技术

　　掺杂复合始终是矿物材料研究中的重要课题，对新材料的研究，主要是关于材料掺杂改性的掺杂剂选择、掺杂方法的实验、合理的掺杂含量确定等实验和理论上的研究。在理论方面，人们往往是应用量子力学理论计算杂质能级、点缺陷形成能和掺杂引起的能带结构的变化，应用量子化学理论计算杂质的键价与材料结构的关系等。

　　掺杂复合过程不仅是物理，化学过程，还包含晶体结构的变化，涉及固体物理、结构化学、表面化学等诸多学科。矿物颗粒直接或在化学处理过程中通过掺杂(加入掺杂剂)可改变矿物的结构，实现电、磁、光等功能。常用的掺杂方式主要有直接添加、反应(如共沉淀)掺杂、高能辐照掺杂等。

　　11 结语

　　材料加工和性能的高要求使非金属矿物材料的发展目新月异，高新技术的渗入和学科的交叉引发矿物材料物理加工许多新的思路，需要重点研究方向主要为：

　　(l)获得均一粒径或窄粒级超微细非金属矿物颗粒的物理加工技术和设备，以满足特殊功能的需要，如用于精密机械抛光、光电材料；

　　(2)保持层状、多孔等特殊非金属矿物结构原状的物理加工技术，充分发挥材料的功能；

　　(3)非金属矿物材料的复合技术，与聚合物、纳米材料的复合，复合技术的界面研究；

　　(4)非金属矿物的微观结构与应用性能研究；

　　(5)物理加工中掺杂剂、改性剂的结构设计和结构—性能成定量关系；

　　(6)纳米层次非金属矿物材料的结构和应用开发。