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矿物材料学的内涵与特征_汪灵

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矿物材料学的内涵与特征_汪灵 卷( V olume) 28,期( Num ber) 3,总( T otal) 113 矿 物 岩 石 页( Pages )1- 8, 2008, 9, ( S ept , 2008) J M INERAL PETROL 收稿日期: 2008- 07- 28; 改回日期: 2008- 08- 24 基金项目:国家自然科学基金( 40572030, 40472028) ; / 十五0国家科技攻关计划重点项目课题( 2004BA810B02) 作者简介:汪 灵,男, 50岁,教授(博士生导师) ,矿...

矿物材料学的内涵与特征_汪灵
卷( V olume) 28,期( Num ber) 3,总( T otal) 113 矿 物 岩 石 页( Pages )1- 8, 2008, 9, ( S ept , 2008) J M INERAL PETROL 收稿日期: 2008- 07- 28; 改回日期: 2008- 08- 24 基金项目:国家自然科学基金( 40572030, 40472028) ; / 十五0国家科技攻关计划重点项目课题( 2004BA810B02) 作者简介:汪 灵,男, 50岁,教授(博士生导师) ,矿物学与矿物材料学专业,研究方向:矿物变换过程及功能矿物材料. E-mail: w an gling@ cdut . edu. cn 矿物材料学的内涵与特征 汪 灵1, 2 1.成都理工大学材料与化学化工学院,四川 成都 610059; 2.成都理工大学金刚石薄膜实验室,四川 成都 610059 =摘 要> 经过 20 余年的研究与发展, 矿物材料学已经成为材料科学与工程中一个相对 独立和完善的组成部分,由于其定义、内涵与特征等基本问题与材料科学的从属性和独特 性,多年的研究认为: 矿物材料学是研究矿物材料的组成与结构、制备与合成、性能和使用 效能以及矿物原料性质与特点等五要素及其相互关系和规律的一门学科。这五要素是具 有内部互相联系和作用的有机整体,研究这五要素并了解它们之间的相互关系和规律构 成了矿物材料学的内涵。矿物原料性质与特点是其他四要素的基本前提或重要基础, 矿 物原料及其与其他四要素的关系以及矿物在其他四要素中的关键性都体现了矿物材料学 的矿物科学属性,正是因为兼具材料科学属性和矿物科学属性的矿物材料学这一重要特 征使其有别于其他学科,而具有了理论及实用价值。 =关键词> 矿物材料学;矿物材料; 矿物科学;矿物原料;工业矿物 中图分类号: P57 文献标识码: A 文章编号: 1001- 6872( 2008) 03- 0001- 08 0 引 言 随着科技进步和材料需求多元化, 矿物资源、尤 其是非金属矿物资源得到越来越广泛地应用, 20世 纪 50年代开始,世界非金属矿产的产值就超过了金 属矿产,有些发达国家的非金属矿产的产值和消费 量甚至超过金属矿产的 2 倍~ 3 倍[ 1]。20 世纪 80 年代以来,中国非金属产量和产值增长迅猛, 远远大 于世界的增长速度,并从 1993年起中国的非金属矿 工业总产值已经超过黑色及有色金属矿产采选产值 的总和[ 2] , 非金属矿及矿物材料工业已经成为我国 应用领域广泛、发展前景广阔的重要产业之一[ 3] 。 矿物材料学作为一门综合性、交叉性的边缘学 科也就应运而生, 然而, 其定义、内涵是什么? 它有 什么重要特征? 它的研究内容应该包括什么? 与材 料科学之间有什么联系与不同? 对于这些基本问 题,从 20世纪 80年代初以来,学者就试图从不同的 角度去认识和诠释矿物材料学,可以说,和矿物材料 的概念一样,矿物材料学的内涵与特征同样是矿物 材料学的基本问题之一。通过回顾 20多年来我国 矿物材料学概念的研究与发展历程,根据材料科学 与工程的定义和矿物材料学的特点,探讨矿物材料 学的定义、内涵与特征等基本问题,对于深入开展矿 物材料研究与应用, 加强矿物材料学科专业建设, 促 进矿物材料产业发展大有裨益。 1 矿物材料学概念回顾与讨论 1. 1 矿物材料学概念及其发展 20世纪 80年代初以来,关于矿物材料学概念, 有不少学者先后形成了自己的观点和看法。 万朴( 1992)认为,矿物材料学是旨在研究矿物 材料的基础理论和应用技术;研究各种矿物(岩石) 或它们与各种无机、有机物质以不同方式结合、加工 制成的各种材料的性质及其机理;以及各种矿物材 料的生产工艺和技术的一门学科[ 4]。进一步研究认 为,矿物材料学是矿物学、岩石学与材料学相互渗透 而发展起来的新兴边缘学科; 是研究矿物的应用性 能与晶体结构、成分、加工技术工艺环境之间的相互 关系并使矿物原料直接地或通过物理的、化学的方 法处理后成为有应用价值的、以矿物(岩石)为重要 组分物质的各种材料; 研究包括可控性调整晶体结 构、晶体化学特性、与其他物质的界面结构特性、矿 物在超微粉状态下的新性能、矿物晶体人工合成, 以 开发矿物材料的功能特性并了解其变化规律; 研究 矿物材料在开发、制备、使用、再生过程中的环境效 应等一系列应用基础理论和矿物材料 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、研制的 实验、制备工艺等应用技术方法的一门学科[ 5] 。 汪灵等( 1995)根据矿物材料的定义、分类和特 点认为,矿物材料学是从矿物学、岩石学的角度来研 究矿物材料的性质与其物质组分、结构、构造、晶界、 粒度和使用原料以及加工工艺等之间的关系, 以探 索矿物材料的生产工艺、技术和应用的一门综合性 的边缘学科 [ 6]。10年后提出, 矿物材料学是研究矿 物材料的组成、结构、性质和使用效能, 矿物材料的 合成、制备和加工工艺,以及它们之间相互关系的一 门新兴交叉学科 [ 7]。 赵万智( 1999)提出, 矿物材料学不仅是现代材 料科学的组成部分,也是地质中跨学科的一个新兴 的边缘学科。矿物材料学是研究从矿物材料到加工 利用直至形成产品过程中矿物组成规律的学科; 其 生产过程和使用过程无不是矿物组成、发生、发展、 变化、运动的过程。因而抓住了矿物组成、结构构造 这个中心,就抓住了材料研究的实质。但是我们不 是仅仅研究材料中的矿物组成与结构构造,而是要 进一步研究它们的变化过程。因此就要探讨矿物组 成、结构、构造和加工利用物理化学过程之间的变化 规律,也就是研究和工艺条件之间的关系,研究矿物 组成、结构构造和产品性能之间的变化规律。也可 以说,矿物材料研究中有一个中心和两个基本关系。 后者正是矿物材料学的研究目的。结合工艺深入生 产是矿物材料学必须坚持的指导思想 [ 8]。 吴季怀等( 2001)根据材料学的定义认为,矿物 材料学是研究矿物材料的组成与结构、形成与加工、 性能和使用效能四者之间关系与规律的一门科 学[ 9 ]。 邱冠周等( 2003)认为,矿物材料学有广义和狭 义两种解释。广义的矿物材料学是指研究利用各种 天然的或合成物质通过一定的加工工艺而制作出能 为工农业生产、国防建设和人民生活所需的无机非 金属材料的一门学科。狭义矿物材料学是指从矿物 岩石学的角度来研究无机非金属物质在各种环境中 被加工改造和被制作成各种材料的科学。这里的 /从矿物岩石学角度0包含了 3个方面的含义:其一, 是指本学科的研究重点放在天然非金属矿物岩石, 即为生产出价格低廉、性能优异的无机非金属材料 而不断发现、开发可利用的自然资源;其二,是指本 学科所研究的无机非金属材料是那些以天然矿物岩 石为主要原料,经过较简单的加工就能被利用的材 料;其三,是指本学科运用矿物岩石的研究方法和借 鉴自然界地质作用的各种原理来研究和生产各种无 机非金属材料[ 10]。 沈上越等( 2005)认为,矿物岩石材料学是一门 应用学科,它以矿产资源的有效利用为目的,从矿物 学和岩石学角度出发, 利用天然矿物、岩石及其深加 工产物研制和开发新型无机非金属材料, 改造传统 材料;其研究对象包括与矿物应用有关的所有无机 非金属材料;研究内容不仅包括制品及其原料的成 分、结构、性能和制备工艺,也包括这些制品及其原 料与人类、环境的相互协调关系。并认为,用材料科 学的观点与方法去研究开发非金属矿物与岩石的各 类功能的科学称为矿物岩石材料学, 或称矿物岩石 材料工艺学(简称岩矿材料工艺学) , 它比通常所说 的/非金属矿开发与利用0的内涵要深刻得多, /非金 属矿的开发与利用0只强调非金属矿的深加工技术, 即超细提纯改性; 矿物岩石材料工艺学即包括了深 加工技术,而且特别强调材料的复合、材料的现代合 2 矿 物 岩 石 2008 成技术及其机理 [ 11]。 1. 2 矿物材料学概念问题讨论 应当肯定的是, 在过去的 20多年中, 国内学者 根据对矿物材料及矿物材料学的理解不同, 从不同 的角度提出和阐明了自己对矿物材料学的概念和定 义观点或看法, 对我国矿物材料学科的发展起到了 积极作用。前人的矿物材料学概念中, 比较一致的 地方为: ( 1)强调矿物材料学是介于材料学与矿物科 学之间的一门交叉学科。( 2)强调该学科是以矿产 资源的有效开发利用为目的, 主要是利用天然矿物 岩石及其深加工产物研制和开发新材料, 尤其是新 型无机非金属材料。( 3)在研究思路和方法上,除应 用材料科学与工程的一般研究方法外, 强调发挥矿 物学、岩石学优势,从矿物学和岩石学角度来研究矿 物材料。显然, 这些观点和看法对于正确理解矿物 材料学的特点和内涵有很大帮助。 但是,矿物材料学作为一个十分重要的学科与 专业概念,现有表述还存在值得改进和完善之处, 主 要表现在: ( 1)有的表述还不够简明扼要。前人试图 将矿物材料学所涉及的所有科学技术问题都能在定 义中得到反映。但是,由于矿物材料学的复杂性, 若 不对这些问题进行梳理归类, 难以使定义简明扼要, 影响了对矿物材料学内涵的理解和认识。( 2)有的 表述还不够全面和准确。和其他材料一样, 矿物材 料同样涉及组成与结构、合成与制备、物理与化学性 能、使用效能等科学技术问题,同时还涉及矿物原料 性质与特点等, 它们构成了矿物材料学的基本要素。 但是,现有的定义, 尽管有的表述文字较长, 但似乎 并没有将这些基本要素完整地体现出来。( 3)另外, 有的表述尽管文字不多, 但并没有体现矿物材料学 的特色。因此, 有必要在吸取前人成果的基础上, 结 合矿物材料学自身特点, 对矿物材料学定义进行深 入研究和探讨。 2 矿物材料学的定义 2. 1 材料科学定义 美国材料科学与工程调查委员会( 1979)指出: 材料科学与工程是关于材料的成分、结构、工艺和它 们的性能与用途之间有关知识的开发和应用的科 学[ 12]。 材料科学与工程教学指导委员会( 2006)将材料 科学与工程定义为:研究有关金属、无机非金属、有 机高分子等材料的组成/结构、测试/表征、制备/合 成、性能/应用四要素及其关系的科学技术与生产。 四要素贯穿于每个单一材料之中, 也贯穿于材料教 育的整个过程中。对材料基本四要素的认识和理解 要有动态的观念, 四个要素的说明和控制应放在更 高、更深的层次,即从原子尺度来阐述和控制。材料 的结构与成分着重于研究包括原子的类型及所观察 尺度范围内原子的排列组合;材料的合成与加工则 使原子(原子团)、分子可得到特定的排列组合; 而由 不同原子(原子团)、分子及其排列组合所得到的材 料具有所需的使用性能; 对材料性能的各种测试技 术和微观层次上的表征技术构成了材料科学的重要 组成部分。四要素是一个整体, 内部有机联系是其 核心与活力所在[ 13] 。 国家自然科学基金委员会( 1997) [ 14] 和师昌绪 ( 1993) [ 15] 的定义为:材料科学是研究材料的组成与 结构、合成与制备、性能和使用效能四者之间关系与 规律的一门科学。一种材料的性质与其组成及结构 息息相关,而组成和结构又是合成与制备过程的结 果;材料作为一种产品又必须具备一定的效能以满 足特定的使用 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 从而取得应有的经济社会效益。 也就是说,在材料的合成与制备、组成与结构、性能 和效能四者之间存在着强烈的相互依赖关系。研究 并了解这种关系与规律就构成了材料科学的内涵。 它们也被称为材料科学技术具有有机联系的四要素 (图 1) [ 16]。目前,这一概念已得到比较广泛的认同。 图 1 材料科学与工程的四要素及其相互关系示 意图[ 16] Fig. 1 Sketch map of the four elements and their rela- tionship o f materials science and engineering 2. 2 矿物材料学定义 矿物材料被定义为以矿物为主要或重要组分的 材料[ 3]。也就是说,矿物材料是材料, 而不是矿物, 这是矿物材料与其他材料的共性所在。同时,在矿 物材料中,矿物是集材料的组成与结构于一体的基 元组分,不仅主要或重要组分是矿物,而且主要或重 要物理、化学性能及使用效能也源于矿物,因此矿物 3 第 28卷 第 3期 汪 灵:矿物材料学的内涵与特征 材料是以矿物为本质特征的材料[ 3] , 这就是矿物材 料有别于其他材料的个性所在。 矿物材料学是矿物科学与材料科学相结合的产 物,是以矿物材料为研究对象的一门新兴的交叉学 科。因此,从矿物材料的材料共性角度看,矿物材料 学具有材料科学属性, 其学科的基本要素与内涵等 与材料科学相同或者相似。因此,与材料科学与工 程一样,矿物材料学同样涉及组成与结构、合成与制 备、性能和使用效能等四要素及其相互关系和规律 等基本科学技术问题。 同时,从矿物材料的矿物个性角度看,矿物材料 学应有自己的鲜明特点, 这就是它的矿物科学属性。 根据矿物材料的定义和特点[ 3] ,其矿物科学属性主 要体现在两个方面: 一是在矿物材料的组成与结构、 制备与合成、性能和使用效能等四要素及其相互关 系和规律的研究中, 矿物都处在关键或者中心位置, 因而与矿物科学密切相关; 一是由于矿物材料主要 由天然矿物岩石加工制备而成, 因而矿物原料性质 与特点研究具有特别重要的意义, 其重要性还在于: ( 1)材料科学与工程定义的四要素不能代替矿物原 料。对于矿物材料而言, 即使保持/合成与制备0因 素不变,不同种类的矿物原料,甚至不同产地的同种 矿物原料在某些性质上的差异, 都将影响矿物材料 的组成与结构、性能和使用效能。因此,如何通过矿 物原料性质与特征研究, 提供符合加工制备要求的 矿物原料,对矿物材料加工、制备、合成和生产具有 关键的作用,甚至关系到矿物材料研究与应用的成 败。( 2)由于矿物资源的十分复杂性,如何根据矿物 原料的性质与特点, 不断研究与改进加工、制备与生 产工艺,对矿物材料研究、应用与生产同样十分重 要。( 3)加强矿物原料性质和特点研究,有利于发现 矿物新的物理化学性能, 拓展新的应用领域, 为矿物 原料的有效开发利用提供科学依据。( 4)矿物原料 性质与特点研究是矿物科学研究和思维方法在矿物 材料学研究和应用具体体现。 由此可见, 矿物材料学作为一门交叉学科,其定 义应当同时体现它的材料科学属性和矿物科学属 性,简单照搬材料科学与工程的定义可能难以反映 矿物材料学的特征。根据材料科学与工程的定义, 结合矿物材料的特征,可将矿物材料学定义如下: 矿物材料学是研究矿物材料的组成与结构、制 备与合成、性能和使用效能以及矿物原料性质与特 点等五要素及其相互关系和规律的一门学科。 该定义表明, 矿物材料学的研究对象是矿物材 料;如图 2所示,矿物材料的组成与结构、制备与合 成、物化性能、使用效能和矿物原料构成了矿物材料 学的五要素;这五要素组成一个三方双锥体,形成一 个内部互相联系和作用的有机整体, 这种内部的有 机联系是矿物材料学的关键与活力所在。 图 2 矿物材料学的五要素及其相互关系示意图 F ig . 2 Sketch map of the five elements and their r ela- t ionship o f mineral materia l sciences 需要特别说明的是,该定义的前四个要素, 即矿 物材料的组成与结构、制备与合成、物化性能和使用 效能,与目前广泛认同的材料科学与工程定义相同, 体现了它的材料科学属性或材料共性。同时,该定 义将矿物原料性质与特点作为一个独立的基本要 素,该要素及其与其他四要素的关系直接反映了它 的矿物科学属性或矿物个性;由于矿物材料学是以 矿物材料为研究对象, 根据矿物材料的定义 [ 3] , 矿物 是其他四要素及其相互关系和规律研究中必须涉及 的关键问题,其矿物科学属性或矿物个性必然包含 其中。 还需要说明的是, 矿物材料和矿物材料学是既 有联系又有区别的概念。二者的区别在于,前者只 是一种材料,即以矿物为主要或重要组分的材料,属 物质范畴;后者是一门学科,即以矿物材料为研究对 象的一门新兴的交叉学科, 属科学范畴。另外, 从二 者产生的时间来看,是先有矿物材料,后有矿物材料 学。可以说,矿物材料在人类的石器时代就有了;而 矿物材料学则是 20世纪后期才迅速发展起来的,是 现代矿物科学、材料科学等相关学科相互渗透的结 果。二者的联系在于, 矿物材料学是以矿物材料为 研究对象,没有矿物材料就不可能矿物材料学; 而没 有矿物材料学, 矿物材料就不能得到进一步的发 展[ 6 ]。 3 矿物材料学的特征 以上 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 表明,矿物材料学最重要、最鲜明的特 4 矿 物 岩 石 2008 征是,它不仅具有材料科学属性或材料共性, 同时具 有矿物科学属性或矿物个性。以上定义较好地体现 了矿物材料学的矿物科学属性, 因为该定义将矿物 原料性质与特点确定为矿物材料学 5个基本要素之 一,矿物原料及其与其他四要素的关系直接地反映 了它的矿物科学属性;同时,由于该定义是以矿物材 料为研究对象, 矿物在其他四要素及其相互关系和 规律研究中具有十分重要的意义,所以其他四要素 也包含了矿物科学属性。除此之外,矿物材料学还 有如下特征。 ( 1)矿物材料学是以矿物资源开发利用为主要 任务的学科。据资料统计,我国 80%的工业原料和 70%的农业生产资料来源于矿物资源[ 17] 。从矿物 材料学的产生背景可知, 其主要任务是为矿物资源, 尤其是非金属矿物资源有效开发利用服务。尽管有 的矿物材料不一定完全是非金属矿物材料, 有的矿 物材料也不一定是天然矿物岩石为原料加工制备现 时成,但以非金属矿物资源为原料加工制备的非金 属矿物材料仍然是矿物材料的主体,在国民经济建 设中具有特别重要的地位和作用。 ( 2)矿物材料学是一门新兴的交叉学科。矿物 材料学是矿物科学与材料科学相结合的产物, 在中 国只有 20多年的发展历史。根据矿物材料学的定 义,它不仅具有材料科学属性,同时又有矿物科学属 性,具有明显学科交叉特点。 ( 3)矿物材料学是一门理工结合、理论与实际相 结合的学科。矿物材料学研究内容也可以简单概括 为两大部分:一是基础和应用基础研究,即矿物材料 学理学部分,主要包括矿物材料的组成与结构、物理 与化学性能、矿物原料性质与特点等; 一是应用研 究,即矿物材料学工学部分,主要包括矿物材料的加 工与合成、使用效能及其与其他基本要素的关系等。 需要强调的是, 矿物材料学理论研究的目的是为了 应用, 而应用研究又反过来促进理论研究。这正是 矿物材料学研究的基本特征之一。 ( 4)矿物材料学是以天然矿物与人工矿物并重 的学科。矿物材料学在不断深化矿物资源综合利用 研究的同时,为适应材料多元化和国民经济建设需 要,将研究范畴拓展到人工合成矿物材料领域,使矿 物材料学的发展紧跟科学技术进步的步伐, 具有很 强的生命力。 ( 5)矿物材料学以矿物材料为研究对象, 吸取和 综合了矿物科学、材料科学及岩石学等学科之长, 在 研究思路和研究方法以及测试分析与表征技术等方 面开辟了新的途径,这是学科的交叉与融合的必然 结果。 4 矿物材料学的内涵与研究内容 关于材料科学与工程的内涵与特点, 师昌绪 ( 1999)作了比较深入说明。他认为, 材料科学技术 (或称材料科学与工程)由 4个要素组成, 它们形成 一个四面体(图 1) [ 16] , 已为材料科学的研究者所接 受,但考虑到结构与成分并不是一回事,同样成分的 材料因处理方法不同, 可得出不同结构的材料, 从而 导致性能与使用效能并不一样。因此, 提出应将成 分、合成与加工、结构、性能以及使用效能这五者视 为材料科学与工程的五个要素, 把它们连接在一起, 组成一个六面体(图 3 也可以认为是三方双锥体)。 并指出,使用效能是材料性能在工作状态(受力状 态、气氛、温度等)下的表现。材料性能可以视为材 料的固有性能,而使用效能则随工作环境不同而异, 当然它与材料的性能密切相关。理论及材料与工艺 设计位于六面体的中心, 它直接和其他五个要素相 关,表明它的中心地位。上述五要素及其形成的六 面体模型较好地描述了近代材料科学技术作为一个 系统工程的内涵与特点 [ 16]。 图 3 材料科学与工程的内涵示意图 [ 16] Fig. 3 Sketch map o f the connotat ion o f mater ials science and eng ineering 对于矿物材料学的研究内容及其相互关系,赵 万智( 1999)认为, 矿物材料学研究中有一个中心和 两个基本关系[ 18] ,并进一步解释认为: 一个中心就 是矿物组成、结构构造,抓住了这个中心就抓住了矿 物材料研究的实质(本质,内因)。两个基本关系,一 是矿物结构、组分与矿物材料工艺性能(物理化学性 能,现象)的关系, 一是矿物结构、组分与矿物材料工 艺条件(物理化学条件,外因)。受此启发可以认为, 矿物材料学的五要素及其相互关系可以这样理解: 5 第 28卷 第 3期 汪 灵:矿物材料学的内涵与特征 组成与结构是本质与内因(图 4) , 制备与合成是形 成这种本质的外部条件(外因) , 物理化学性能和使 用效能则是组成与结构这一本质的外部表现 (现 象) , 而对于主要采用天然矿物岩石加工制备的矿物 材料来说,矿物原料则是其他四要素的基本前提或 重要基础。由此可见,组成与结构、矿物原料是矿物 材料学研究的核心与关键。 图 4 矿物原料及矿物材料组成结构在矿物材料 学研究中的作用示意图 Fig . 4 Sketch map of the function of minera l r aw mate- rial and composit ion / str ucture o f mineral mate- rials in mineral mat erial sciences research 如图 2所示,矿物材料的组成与结构、制备与合 成、物化性能、使用效能和矿物原料是具有内部有机 联系的五要素, 研究这五要素并了解它们之间的相 互关系和规律构成了矿物材料学的内涵。同时, 由 于矿物材料设计和矿物材料测试与表征等贯穿于矿 物材料学研究的各个环节, 因此成为矿物材料学研 究的重要方面。所以,如图 5所示,矿物材料学的研 究内容应当包括组成与结构、制备与合成、物化性能 和使用效能以及矿物原料性质与特点等五要素, 以 及矿物材料设计、测试与表征等 7个方面内容,它们 构成了矿物材料学科专业的科学技术理论与知识体 系。 一般说来, 矿物材料的研究与开发过程如图 5 箭头所示,即根据国民经济的需要(应用)开展矿物 材料设计,根据矿物原料性质与特点确定矿物材料 的制备与合成工艺方法, 制备与合成直接影响矿物 材料的组成与结构,组成与结构决定其物理与化学 性能,物化性能决定其使用效能(应用)。但是,对于 矿物材料新产品的剖析, 则往往从其组成与结构入 手,然后确定其矿物原料,探索其制备与合成工艺方 法。 ( 1)矿物材料设计:师昌绪( 1999)强调了材料基 础研究和材料设计的重要性, 并视为 21世纪材料科 学技术研究与开发的热点之一。他指出: 材料的基 础研究是发展新材料的先导、改进现有材料的依据, 图 5 矿物材料学的内涵与研究内容示意图 Fig. 5 Sketch map of the conno tation and resear ch con- tent of minera l mater ial sciences 必须给以充分重视。而材料设计可以从原子尺寸出 发,可由微观、介观到宏观。材料可从成分设计,经 过合理人工艺 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 ,以达到所预期的结构,从而保证 使用效能。尽管有些问题十分复杂, 例如非平衡态、 非线性问题的出现所造成的困难, 但随着科学技术 的相互渗透,都有可能得到逐步解决[ 16]。如图 5所 示,矿物材料使用效能(应用)是矿物材料设计的依 据,矿物材料设计还包括采用何种矿物原料制备与 合成矿物材料,如何根据矿物原料性质与特点确定 合理的制备工艺流程等。与其他材料一样,矿物材 料设计也是 21世纪矿物材料科学技术研究与开发 的重点之一。 ( 2)矿物原料性质与特点:矿物原料性质与特点 是矿物材料学有别于其他材料研究的重要标志, 它 是采用矿物学、岩石学和工艺矿物学等研究方法,研 究矿物原料的矿物与化学组成及其分布, 结构构造 与矿物性状(几何、物理、化学等方面) , 以及矿石类 型与矿物资源特点等; 同时,还要研究矿物原料中矿 物变换过程,即在一定物理化学条件下(如温度、压 力、化学作用、核辐射作用、磁力作用、机械力作用 等) ,矿物的组成结构和物理化学性能发生变化的过 程[ 1 , 3, 7] ,为矿物资源的加工、制备、合成与综合利用 提供科学技术依据。需要说明的是, 矿物原料性质 与特点研究中,不仅包括不同种类矿物原料之间特 点与区别,而且包括同种矿物原料不同产地或不同 矿石类型之间的特点与差别。因此, 如图 4所示,矿 物原料性质与特点研究是矿物材料学其他四要素的 基本前提或重要基础, 也是矿物材料研究与应用的 关键之一。 ( 3)矿物材料制备与合成:材料的制备与合成是 采用一定的工艺技术方法,实现由原料向材料的转 6 矿 物 岩 石 2008 化,或者促使原子、分子结合而构成材料的物理化学 过程。对于一些直接可以应用的天然矿物材料而言 (如天然矿物晶体等) ,其原子、分子结合而构成矿物 材料的过程是通过一个漫长的地质作用进行的。而 更多的矿物材料则是将这些由地质作用形成的矿物 原料,经过加工、制备与合成技术,实现由矿物原料 向矿物材料的转化。如图 5所示,矿物材料制备与 合成决定矿物材料的组成与结构, 因此,如何根据矿 物原料性质与特点, 采用合适的矿物材料加工、制备 与合成工艺技术,实现矿物资源的有效综合利用, 已 成为矿物材料科学技术的关键之一。矿物材料的加 工、制备与合成技术主要是, 矿物的提纯、粉碎、改 型、改性、改造、复合、人工合成等, 既有物理加工制 备,也有化学加工制备, 以及物理- 化学加工制备; 既包括简单加工,也包括复杂加工制备,而且许多属 于高新技术范围 [ 3]。 ( 4)矿物材料组分与结构:材料组成是指构成材 料物质的原子、分子及其分布;除主要成分外, 杂质 及对材料的结构和性能有重要影响的微量元素也不 能忽略。材料结构是指组成原子、分子在不同层次 上彼此结和的形式、状态和空间分布,包括原子与电 子结构、分子结构、晶体结构、相结构、晶粒结构、表 面与晶界结构、缺陷结构等;在尺度上则包括纳米以 下、纳米、微米、毫米及更宏观的结构层次。如图 4 所示,组成与结构是矿物材料物化性能和使用效能 的本质和内因, 同时可为矿物材料制备与合成工艺 的确定与改进提供科学依据。矿物材料组成包括矿 物的化学成分、矿物成分、类质同象和矿物中的水以 及矿物共生组合等;矿物材料结构矿物材料的晶格 类型、同质多象结构、晶体结构、晶体缺陷、显微结 构、微孔结构、表面结构等。 ( 5)矿物材料物理化学性能:矿物材料的物理化 学性能是由它的组成与结构所决定的。矿物材料的 化学性质包括矿物的可溶性、氧化性与抗风化性、耐 腐蚀性、催化性等基本化学性质, 以及矿物的吸附 性、离子交换性、液体亲和性等表面化学性质。矿物 材料的物理性质包括矿物的力学性质、热学性质、光 学性质、电学性质、电磁学性质、放射性和其它物理 性能等。 ( 6)矿物材料使用效能:矿物材料使用效能是指 它的应用,这是由它的物理和化学性能所决定。其 重要研究内容包括其他要素对矿物材料应用的影 响,确定矿物材料的应用领域、应用范围和应用条件 等。从材料的作用或应用看,矿物材料主要是功能 材料,同时也有结构材料; 既有传统材料(如各种非 金属矿制品等) ,也有属于当今高科技领域重点发展 的新材料[ 3]。目前,功能矿物材料已经得到广泛应 用,包括力学功能、声功能 (隔音、吸音等)、光功能 (荧光、偏光、聚光、透光等)、电与磁功能(导电、半导 体、介电、压电、磁性等)、热学功能(耐火、导热、隔 热、抗热震等)、化学功能(吸附、摧化、脱色、净化 等)、填充与增强功能(粒状、片状、纤维状等)、涂覆 粘结与悬浮功能(粘结、涂料、泥浆等)、能源与防核 辐射功能(储能、能源转换、防核辐射)、装饰功能(宝 石、玉石、彩石、大理石、颜料等)等功能矿物材料产 品与应用。 ( 7)矿物材料测试与表征:在矿物材料学研究的 各个环节中都离不开测试与表征。这里不仅包括矿 物材料的组成与结构、物理化学性能和使用效能的 测试与表征,而且还包括测试与表征的技术方法研 究。需要指出的是, 现代矿物岩石测试分析技术与 方法为矿物材料学测试与表征提供了新的途径与活 力。 致谢:文中一些学术问题曾得到中国科学院地质与 地球物理研究所研究员叶大年院士的悉心指导, 并 与该所张振禹研究员及成都理工大学张其春教授进 行了有益交流与讨论, 在此,深表谢意。 参考文献 [ 1] 汪 灵.矿物科学的概念[ J] .矿物学报, 2005, 25( 1) : 1-8. 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Because the funda- mental quest ions such as def init ion, connotation and features of mineral material sciences are sub- o rdinate and independent to materials science and eng ineer ing, it is propo sed that mineral material sciences is a subject studying the composition and st ructure o f m ineral materials, the preparat ion, synthesis, proper ties, useful eff icacy , and m ineral raw material as w ell as their relationship and regular ity among those f ive elements. T he f iv e elements are an organic ent ity w hich have their in- side relat ionship and inter react ion. It is the conno tat ion of mineral material sciences that study the f ive elements and understand their relationship and regularity . T he most important feature of mineral material sciences is that it po ssesses bo th material sciences proper ty and m ineral sciences property. Mineral r aw material is the foundation for other four elements. M ineral raw material and its relat ionship betw een other four elements as w ell as the key posit io n of minerals in other four elements have g ive expression to it s mater ial sciences pr operty. Key words: mineral material sciences; m ineral materials; m ineral sciences; mineral raw material; industr ial minerals 8 矿 物 岩 石 2008
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