矿物材料
一、概述
（一）矿物、岩石的概念和分类
1.矿物的概念和分类
矿物是指由地质作用所形成的结晶态的天然化合物或单质，具有均匀且相对固定的化学组成和确定的晶体结构，在一定的物理化学条件下稳定，是组成岩石和矿石的基本单元。根据这一概念，极少数由地质作用所形成的非晶质化合物或单质，则称为准矿物。随着地质年代的推移，它们将向结晶态的矿物转化。
自然界已发现的矿物约有3000种，其中绝大多数是无机物，如金刚石（C）、石盐（NaCl）、方解石（（CaCO3）等，而有机物极少见。
矿物是天然产物。因此，一般所称的矿物都不包括由人工方法制成的化合物或单质。但是，由于生产迅速发展的需要，目前在工厂和实验室正在生产和试制着不少与天然矿物相同或类同的人造“矿物”，例如人造金刚石、人造压电石英等等。这类“矿物”特别称为人工合成矿物或人造矿物。
矿物的分类是按大类、类、（亚类）、族、（亚族）、种、（亚种）的级序而进行的。首先划分大类，在同一大类中进一步细分为类，在同一类中细分亚类，余次类推（表3.1）。
表3.1矿物晶体化学分类体系
类别划分依据举例
大类1.化合物类型，2.化学键含氧盐大类类阴离子或络离子种类硅酸盐类
（亚类）络阴离子结构层状结构硅酸盐亚类
族晶体结构型和阳离子性质云母族
（亚族）阳离子种类白云母亚族
种一定的晶体结构和一定的化学成分白云母KAl2\[AlSi3O10\］（OH）2
（亚种）在完全类质同象系列中，根据其所含端元组份的比例划分（异种）或（变种）晶体结构相同，成分或物性稍异含铁白云母K（Al，Fe）2\[AlSi3O10\］（OH）2
目前，对大类、类和亚类的划分基本相同，都是依据矿物的化学成份和化合物类型；在族的划分上大都采用晶体化学分类方案。
自1912年X射线应用于矿物的晶体结构研究以来，积累了大量的矿物晶体结构资料。在此基础上，就出现了矿物的晶体化学分类方案（表3.1）。凡同一类（或亚类）中具有相同晶体结构类型的矿物即为一个族。由于晶体化学有可能把矿物的化学成分和其内部结构联系起来，因此，从阐明这二者与矿物的形态和物理、化学性质等之间的关系而言，这种分类方安案就显得十分合理。
根据晶体化学分类方案，首先根据化学组成的基本类型将矿物分为五个大类：大类以上根据阴离子（包括络阴离子）的种类分为类，有时类以下又分亚类；类或亚类以下一般即为族。矿物族的概念是指化学组成类似并且晶体结构类型相同的一组矿物。族之下有时分亚族。族（或亚族）之下一般即为矿物。所谓矿物种是指具有一定晶体结构和一定化学成分的独立单位。
表3.2列出了经常使用的矿物分类体系（族和种从略）。
表3.2矿物分类体系
第一大类自然元素矿物第一类硝酸盐第二大类硫化物及其类似化合物第二类碳酸盐第一类单硫化物及其类似化合物第三类硫酸盐第二类双硫化物及其类似化合物第四类铬酸盐第三类硫盐第五类钨酸盐和相酸盐
第三大类卤素化合物第六类磷酸性、砷酸钡酸盐第一类氟化物第七类硅酸盐
第二类氯化物第一亚类岛状结构硅酸盐
第四大类氧化物和氢氧化物第二亚类环状结构硅酸盐第一类简单氧化物第三亚类链状结构硅酸盐
第二类复杂氧化物第四亚类层状结构硅酸盐
第三类氢氧化物第五亚类架状结构硅酸盐
第五大类含氧盐第八类硼酸盐
2.岩石的概念和分类
岩石是一种或多种晶质造岩矿物或非晶质玻璃物质，按一定的规律构成的矿物的集合体。
它是地壳发展过程中各种地质作用形成的地质体。按成因可以把岩石分为三大类，即岩浆岩、沉积岩和变质岩。
（1）岩浆岩
岩浆岩又称火成岩。它是由岩浆冷凝固结而成的岩石。
岩浆岩一般是根据化学成分、矿物成分和产状而进行分类的。
首先，根据化学成分进行划分：①按SiO2含量（％）分为超基性岩、基性岩、中性岩和酸性岩；②根据Na2O＋K2O含量分为钙碱性系列、碱性系列和过碱性系列。
其次是按产状把岩浆岩分为两大类：侵入岩和喷出岩。
第三，根据主要矿物成分、结构构造及产状划分为六个岩石类型，并以其侵入岩和喷出岩的常见岩石名字作为各岩类的名称。此外，尚有两类岩石的成分和产状十分特殊，它们是脉岩类和碳酸盐岩类。
（2）沉积岩
沉积岩是在地表或地表以下不太深的地方形成的地质体。它是在常温常压或不太高的温度和压力下，由风化作用、生物作用和火山作用的产物经搬运、沉积和成岩作用而形成的岩石。
根据沉积岩的成因、物质成分和结构等特征，将沉积岩分为碎屑岩、粘土质岩、化学岩及生物岩四大类：
（3）变质岩
变质岩是由地壳中已存在的岩石，因物理化学条件的改变使其矿物成分和结构构造发生改造而形成的岩石。这一改造过程是在较高的温度、压力和岩石保持固态的条件下进行的。
作为材料使用，常见的变质岩有：板岩、片岩、大理岩、石英岩、混合岩及混合花岗岩等。
（二）矿物岩石材料的概念及分类
1.概念
矿物岩石材料是指一类经过加工处理后能被直接利用其物化性能的矿物、岩石以及它们的制品。
矿物岩石材料这一术语的定义尚不统一。与广义上“矿物材料”的概念相当，有时把它们看成是同义语。有人认为：矿物材料指的是从天然矿物（以及一部分岩石）的物理性能和化学性能出发，经过选矿、加工处理以及人工合成和晶体生长，研制成为工农业发展所需的材料。也有人认为：矿物材料是以非金属矿物为原料，通过一定的配方、一定的生产工艺生产出的具有一定性能的非金属材料。
矿物岩石材料的定义包括如下含义：（1）矿物岩石材料包括矿物材料（狭义上）和岩石材料两个范畴；（2）矿物岩石材料主要利用天然矿物和岩石的物化性质，而不是其中的某些化学元素；（3）矿物岩石材料是经加工处理后而被直接使用，其中包括它们的制品；（4）矿物岩石材料包括人工合成的矿物或岩石材料。
2.分类
矿物岩石材料的分类通常根据如下三个方面：（1）矿物岩石材料的成分、结构和性质；（2）
矿物岩石材料的加工工艺及过程；（3）矿物岩石材料的用途。
这里介绍徐惠忠等（1991年）的分类方案。这一分类方案根据矿物岩石材料的凝聚状态分为单晶材料、多晶材料、非晶材料、复合材料和分散材料五类（表3.3），称为状态分类；并根据加工处理方式将矿物岩石材料分为八类（表3.4），每类中又根据加工处理过程中主要工艺环节的物理化学过程分为若干个型，称为工艺分类。
本章根据矿物岩石材料的成分、结构及性质的特点，结合应用领域和用途进行分述。
表3.3矿物岩石材料状态分类
类名（别名）定义实例
单晶材料（晶体材料）天然矿物或岩石及其加工产物从气相、溶液、熔浆状态通过品体生成而形成的单晶体及其加工产物天然晶体、人工晶体元器体、晶件、磨料等多晶材料（陶瓷材料）天然矿物或岩及其加工产物通过固相反应或熔浆共结形成的具有晶界的固体材料陶瓷制品、耐火材料、铸石、光导纤维等非晶材料（玻璃材料）天然矿物或岩石经过配、熔配及快速冷凝而制成的具无规则网络结构的材料玻璃及玻璃制品、岩棉、光导纤维等复合材料（胶结材料）天然矿物或岩石及其加工产物被各种无机、有机或金属胶结或涂数而制成的多相材料混凝土制品、有机基或金属基复合材料等。
分散材料（粉尘材料）天然矿物岩石经磨细或胶体化或制成的具有巨大内、外表面积的粉状或胶体状材料各种矿物填料、泥浆、吸附净化剂等
二、工业金刚石和石墨
在工业上，金刚石和石墨是两种重要的矿物材料，有着重要的用途。
（一）金刚石
金刚石的化学成分是C，经常含氮及其他微量杂质。天然金刚石是在高温高压的条件下由岩浆中的碳结晶而形成的。
图3.1金刚石的晶体形态
随着近代工业的发展，对金刚石的需求量不断增长。金刚石不仅是重要的工业原料，也是国防、电子、航天工业发展不可缺少的战略物资。一个国家对金刚石的需用量，通常标志着该国的工业化水平。根据工业发达国家使用金刚石情况推测，本世纪初，我国需要天然金刚石约200万克拉（1克拉＝0.2克）。工业上使用的磨料级金刚石主要由人造金刚石代替。几乎所有的宝石级金刚石都是天然产出的。
1.金刚石的结构与形态
在金刚石的内部结构中，碳原子经轨道杂化后形成四个等价的共价键，组成原子晶体。每一个碳原子与相邻的四个碳原子以共价键结合。
金刚石常呈八面体、菱形十二面体、立方体及其聚形（图3.1）。有时由于溶蚀作用，晶面上出现蚀象。单晶大小不一，直径由小于l毫米到数毫米，也有少数大颗粒产出，如世界著明的宝石金刚石“库利南”、“高贵无比”和“莱索托布郎”的重量都在600克拉以上。我国发现的一颗最大的金刚石“常林钻石”重158.7860克拉。晶体形态和完整性以及颗粒的大小在决定其使用价值和范围方面有重要意义。
表3.4矿物岩石材料工艺分类表
类型定义实例备注
机械加工整形通过锯、切、磨、钻、刻、抛光等冷加工手段，使无规则块状矿物或岩石，成为具有规则形状和性能的材料建筑石材、宝玉石工艺品、光学晶体、云母电气元件等分散通过破碎、粉磨、筛分等工艺，使矿物或岩石成为具有一定粒度或粒度分布的粉未状或浆状材料矿物填料、铸造型、泥浆、石墨乳、粉状助剂等集聚通过纺织等手段，使天然矿物或岩石及其加工物相互聚集在一起而形成的单相材料玻璃纤维布、岩棉毡、岩棉被、石棉织物等通过粘结剂而集聚的材料不在其内化学处理表面改性通过化学药剂对矿物内、外表面进行吸附、润湿、偶联、离子交换、覆盖等处理而形成的具有特殊性能的材料改性碳酸钙、改性硅灰石、涂敷石棉、珠光云母等结构改型通过化学药剂与矿物发生反应，使矿物的结构发生一定程序的改变，形成同质多象或类质同象异构体，从而改善其物理性能的材料由钙基膨润上改型的钠基膨润上、少万籁膨润土和有机膨润土；石墨酸、氟化石墨；斜发沸石改型的八面沸石等化学合成的新矿物不在其内成分提取通过化学处理，剔除杂质，提取纯矿物或使矿物物理、化学性质更加优良，从而成为有用的材料碱溶法提取高碳石墨、石灰岩生产轻质岩酸钙、铝矾土提取高纯氧化铝、明矾石提取钾明矾等一般选矿精矿及失去原矿物本质的化工产品不在其内热处理热分解通过加热处理，使矿物发生分解而形成的有用材料石灰、菱苦土、苛性白云石、熟石膏热相变通过加热处理，矿物晶格发生相变而形成的稳定的高温变体粘土熟料、人工金刚石、煅烧石英、硬烧氧化镁等热改型通过加热，使矿物或岩石的结构变得疏松而形成的多孔隙、低密度材料膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、膨胀页岩、柔性石墨等热改型通过加热，使矿物或岩石的结构变得疏松而形成的多孔隙、低密度材料膨胀珍珠蛭石、膨胀页岩、柔性石墨等水热处理重新结晶在水热条件下，通过天然矿物的溶解和重新结晶而形成的单晶或多晶材料水溶法生产的人工刚玉、人工水晶等可与热液矿床类比水热反应在水热条件下，不同矿物通过化学反应形成新的化合物而构成的材料灰砂砖及其他硅酸盐制品、微孔硅酸钙、合成沸石等可与矽卡岩类比熔融处理熔融结晶岩石原料按一下定配比，经高温熔融，再在一定条件下结晶而形成的单晶或多晶材料熔融法生产的人工晶体、铸石、微晶玻璃等可与侵入岩类比熔融冷凝矿物、岩石原料按一定配比，经高温熔融后再快速冷却形成的非晶体材料玻璃及玻璃制品、玻璃纤维、岩棉等可与喷出岩类比胶结处理凝胶粘结矿物、岩石骨料通过无机胶凝材料胶结在一起所形成的材料混凝土制品、石膏制品、菱苦土制品等可与砂岩类比加压连结矿物和岩石颗粒、薄片、纤维，加入少量粘结剂或电解质，经加压处理而形成的材料石墨垫圈、石棉制动片粘结剂过多的复合材料不在其内烧结处理固相反应矿物、岩石质原料按一定配比，在高温状态下发生固相反应，形成新的矿物晶体，并相互结合而形成的致密坚硬的多晶材料粘土质陶瓷、普通耐火材料、粘土砖瓦、水泥熟料等可与变质岩类比重结晶矿物晶体或氧化物粉未，在表面张力驱使下，通过高温烧成发生重结晶，并相互结合在一起而形成的材料烧结砂轮、氧化物陶瓷、烧结黑金铡石可与热变质类比配合将不同性能的矿物、岩石原料，按一定比例配合使之性能互补或相互制约，从而满足一定工业用途的材料矿物饲料添加剂、土壤改良剂、静态爆破剂、矿肥、冶金熔剂等
2.金刚石的分类
根据金刚石的含氮量、红外和紫外吸收光谱特点将其分为I型和Ⅱ型两大类。I型金刚石含有一定量的氮（>1024原子／m3），对波长<330nm的紫外辐射及7～10μm的红外辐射强吸收；Ⅱ型金刚石几乎不含氮（<1024原子／m3），透过紫外辐射至225nm，且对7～10μm的红外辐射不吸收。在此基础上，又进一步划分为Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa、Ⅱb及混合型。这种分类较好地反映了金刚石在成分、结构、性质及工业用途上的差异。
3.金刚石的性质
纯净的金刚石是无色透明的，但因含杂质或具结构缺陷而呈现黄色、绿色、蓝色、玫瑰色等。金刚石具强金刚光泽，色散性也强。金刚石置日光下曝晒后，在暗处发淡青蓝色磷光。
金刚石是自然界最硬的物质，它的研磨硬度是石英的1170倍、刚玉的140倍。金刚石具有极强的抗磨性，摩擦系数小，其抗磨能力为刚玉的90倍。金刚石虽然坚硬，但具有脆性，在冲击作用下易破碎。
Ⅰ型和Ⅱa型金刚石是绝缘体，其电阻率在室温下为1014～1015Ω·cm。Ⅱb型金刚石因含硼而电阻率低，为P型半导体。当用波长为2100～3000A的紫外线照射金刚石时，可产生光电流。在相同条件下，Ⅱ型金刚石的光电流比I型金刚石的光电流大若干数量级。
金刚石具有很高的导热率，其大小与含氮量有关。含氮量低的Ⅰb和Ⅱ型金刚石的导热率为铜的4～5倍，适于做散热元件。
金刚石热膨胀系数小，表面具亲油和疏水性；对任何酸都是稳定的。但在碱、含氧盐类和金属熔体中，它却很容易受侵蚀。
4.金刚石的应用