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第32章 矿物材料加工 刘新海 郭珍旭 冯安生 (中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所) 矿物材料 (mineralmaterials)是20世纪80年代初由地质学工作者提出的一个新概念， 是矿物学、岩石学、材料科学等多学科综合、交叉、渗透的结果。随着社会进步，高新技术 产业的发展和需求已逐渐形成一门新的学科。 一般认为:矿物材料是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 制品和仿制品。其含义包括四个方面:①能被直接利用或稍经加工处理 (如破碎、选矿、切 害J、改性等)即可利用的天然矿物或岩石;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 中的个别化学元素或化合物E[ll。显然，矿物材料属于无机非金属材料范畴，涉及范围非常广 泛，研究方向十分活跃。本评述主要对近5年 (2000--2004)矿物材料研究的一些重要发展 方向及其应用前景进行了总结。 32.1纳米矿物材料 纳米材料由于具有量子效应、小尺寸效应及表面效应，呈现出许多特有的物理、化学性 质，已成为物理、化学、材料等诸多学科研究的前沿领域。自199。年在美国召开 第“一届纳 米科学和技术讨论会”以来，各国科学家积极参与纳米材料的研究，不断发现纳米材料的特 殊性质，使纳米材料的开发、制备技术和实际应用得到了迅速发展2-〔510 纳米技术的开发和应用己风靡全球，在今后相当长的一个时期里，仍将是材料领域的研 究热点和前沿课题。纳米科学在矿物材料领域的应用起步较晚，但天然矿物中的各种纳米级 别结构早己引起人们的重视。许多天然矿物 (如沸石类、勃土类矿物及其改性化合物)具有 纳米级孔道结构以及离子交换、吸附性能;绝大部分天然矿物具有纳米尺度的参杂结构，层 状结构的矿物的层间结构可被扩充或压缩;纤维状结构的矿物可以被剥离为径向呈纳米级的 单纤维。可以预料，纳米科学和纳米技术的研究成果将在矿物材料研究领域产生更为广泛的 影响，矿物纳米结构的研究，纳米级矿物材料的合成、制备、改造、性能研究及应用将成为 矿物材料重点研究的方向之一。其中，纳米级的矿物粉体的制备、矿物纳米介孔结构的改造 及其应用将得到优先发展。 矿物材料在纳米科技中的应用意义主要体现在两个方面[s7:一方面是某些矿物如高岭石、 蒙脱石等由于其具有层状结构特征，可以通过层间插层和层离技术得到纳米矿物材料。这不 仅为矿物材料在高新技术领域的应用开辟新的途径，而且与传统的纳米材料制备技术如物理 的蒸发冷凝法、离子溅射法、机械研磨法、低温等离子体法、氢脆法、电火花和爆炸法，化 学的液相反应法、气相反应法和固相反应法相比，具有原料丰富、工艺简单、成本低廉等特 点，应用前景十分广泛。另一方面纳米介孔矿物材料和生物矿物材料为纳米材料的合成提供 第32章 矿物材料加工 .507 . 了新的模板和自组装思路，为纳米科技的发展提供新的生长点。 32.1.1稀土纳米材料 稀土纳米材料集稀土特性和纳米特性于一体，具有其他材料所不具备的优良特性，应用 前景广阔。稀土元素外层电子结构基本相同，而内层电子结构4f电子能级相近。但是其内层 4f轨道未成对电子多、原子磁矩高;电子能级极其丰富，比周期表中所有其他元素电子能级 跃迁的数目多1-3个数量级;另外稀土金属活泼，几乎可与所有元素发生作用，容易失去电 子形成多种价态、多配位数 (从3到12)的化合物，因此稀土在激光、发光、信息、永磁、 超导、能源、催化、医药、生物等领域有广泛的应用前景[[21。稀土纳米化 ((1.100nm)后， 表现出许多特性[71，如小尺寸效应，高比表面效应，量子效应，极强的光、电、磁性质，超 导性，高化学活性等。在光学材料、发光材料、晶体材料、磁性材料、电池材料、电子陶瓷、 工程陶瓷、催化剂等高科技领域，将发挥重要的作用，因此研究稀土的性质和性能在21世纪 具有重大的科学意义。稀土纳米材料作为一种新型的功能材料，是近年来发展起来的一门全 新的科学技术，它将成为新世纪最重要的高新技术，将越来越受到世界各国科学家的关注。 稀土纳米材料的研究与发展必将引起材料工业的发展与变革，以及引起材料学理论上的发展 乃至建立新理论体系，以适应纳米尺度的研究需要，使稀土