第1章 矿物材料概述
　　1.1 矿物材料的概念、结构及物性
　　自20世纪80年代初提出矿物材料以来，我国矿物材料产业得到迅猛发展，其应用几乎涉及所有的工业领域，包括建材、化工、机械、冶金、轻纺、电子、农业、食品、医药、环保、宝石、工艺美术等。
　　1.1.1 矿物材料的定义
　　矿物材料的定义在很长时间以来都没有确定说法。理解矿物材料概念的关键与原则在于：范围既不能太宽，也不能太窄，应当根据矿物材料自身特点与规律、矿物材料产业与应用情况、矿物材料研究与发展方向，确定在一个合适的范围之内。矿物材料的定义可考虑以下主要因素：①能够体现矿物材料本质；②能够体现矿物材料基本特点；③能够与金属材料、化工原料等区别；④简明扼要，易于理解。
　　依据《材料科学技术名词》，矿物材料(mineral materials)的定义可表述为“经过加工处理后能用于制造相关制品的矿物”。据此，矿物材料可理解为以矿物为主要或重要组分的材料，明确并突出了矿物在矿物材料中的核心地位。一般地，材料的物理、化学性能和使用效能是由材料的结构与组成所决定的。从材料学角度看，矿物是一种集组成与结构于一体的基元组分，不仅矿物材料的主要或重要组分是矿物，而且其主要或重要的物理、化学性能及使用效能也源于矿物。因此，矿物材料是以矿物为基元组分且能体现矿物本质特征的一类材料。
　　矿物材料是一种特殊类型的材料，既有其他材料的共性，也有其自身的特性，可依据不同原则进行分类。①按矿物材料状态可分为单晶、多晶、非晶、复合、粉体材料等；②按用途和行业可分为玻璃、陶瓷、耐火材料等；③按材料工艺可分为机械加工材料、化学处理材料、热处理材料、水热处理材料、熔融处理材料、胶结处理材料、烧结处理材料等，也可分为熔浆型、烧结型和胶凝型材料。
　　地壳矿物资源丰富，种类繁多，对应的矿物材料也十分多样，包括膨润土、硅藻土、沸石、海泡石、凹凸棒石、磷灰石、蛭石、电气石、高岭土、石英砂、碳酸钙、累托石、石墨、重晶石、锰矿物、氧化铁矿物、伊利石、白云石、粉煤灰、煤矸石、赤泥、尾矿等。膨润土是典型2∶1层结构的硅酸盐矿物质，具有良好的吸附特性，在环境污染治理中有着广泛的应用，可用于废水、油污、废气、汽车尾气净化，以及土地填埋防渗、矿区修复、放射性废物处理等方面。高岭土则是典型1∶1型黏土矿物，经改性修饰内部孔道后呈现出优异的选择吸附性能，在废水重金属离子和有机污染物处理中有着广泛应用。
　　1.1.2 矿物材料的组成和结构特点
　　从材料组成上看，矿物材料一般指在材料组成的质量分数(通常大于50%)上是以矿物为主的材料。同时，也包括那些尽管材料的主要组分不是矿物(通常小于50%)，但以矿物为重要组分的材料，其重要性在于矿物对材料的相关性能起决定性的作用。矿物材料的矿物组成特点有助于将它与金属材料、高分子材料、化工原料等区分开来，因为它们不是以矿物为主要或重要组分。
　　结构特性是非金属矿物的重要性能和应用特性之一，在加工中要尽量保护矿物的天然结晶特性和晶型结构。例如，在一定纯度下矿物特有结构要尽可能地少破坏，如鳞片石墨、云母的片晶等颗粒直径越大或径厚比越大而价值越高，硅灰石粉体的长径比越大而价值越高，海泡石和石棉纤维越长而价值越高等。
　　矿物组成与结构是矿物材料的基本表征。矿物一方面是特定地质作用与加工条件的产物，另一方面又是决定矿物材料的性能与使用效能的内在因素，在矿物材料研究的“四面体”(组成、结构、工艺、性能)中占有承前启后的地位，并起着指导作用。理解矿物材料的组成与结构及它们和形成与加工之间、性能与使用效能之间的内在联系，是矿物材料学的基本研究内容。
　　结构矿物学主要研究矿物的晶体结构、形态、成分及与性能和生成条件关系的一门科学，是研究矿物材料组成和结构的重要方面。矿物物理学则是研究矿物材料的组成和结构的有效方法，主要应用固体物理学、量子化学的理论以及近代物理和化学技术来探讨矿物的微观结构，研究矿物结构、矿物化学、矿物物理和矿物成因中的本质问题，包括矿物谱学新技术、新进展以及各种谱学与电子束原理及手段在矿物学中的应用等。应用结构矿物学与矿物物理学这些理论与技术，可研究出矿物中的离子价态、配位、局域对称、有序度、键性、电子构造、磁性、晶体缺陷、晶格变形、相转变、电荷密度分布、相关系、晶体结构、辐射中心等信息。
　　1.1.3 矿物材料的应用性能
　　矿物材料的基本性质与应用性能，主要包括矿物材料的颗粒特性、光学性质、力学性质、热学性质和电磁性质等。
　　1.1.3.1 矿物材料的颗粒特性
　　颗粒通常是指固体粒子，但乳状液中的液滴、液体中所含的气泡也属于颗粒的范畴，故颗粒本身包含了固、液、气三相物质。矿物材料的颗粒则是单指矿物的颗粒，其颗粒的大小不同，性质也不同。颗粒越小，比表面积越大，表面能越高，溶解度越大，熔点越低，相应的光、电、磁、热等性质也随之发生变化。矿物材料颗粒的大小与矿物材料的用途之间的关系见表1-1。
　　表1-1 矿物材料颗粒的大小与矿物材料的用途之间的关系
　　1）颗粒的粒径和粒度
　　矿物颗粒的大小常用粒径和粒度来表征。粒径是指单个矿物颗粒的大小，粒度通常是指颗粒群大小的整体概念，所谓颗粒群是指许多不同大小的颗粒所组成的集合体。
　　2）颗粒的形状
　　颗粒的形状是指该颗粒的外轮廓边界或表面上各点所连成的图像。矿物材料的颗粒形状对其性质和用途都有重要影响。如颗粒在介质中的运动特性、表面化学性质、流变性质等都受颗粒形状的影响。对于颗粒形状的分析通常分为定性分析和定量分析两种；颗粒形状的定性分析见表1-2。由表1-2可知，颗粒形状是非常粗糙的，通常难以确切描述颗粒的形状特性。
　　表1-2 颗粒形状的定性分析
　　3）颗粒表面和比表面积
　　矿物材料的颗粒表面是极不规则的，大部分矿物属晶体结构，在晶体的表面，通常存在台阶、裂隙、沟槽、位错、缺陷等。通常将组成晶体的全部质点都定位在晶体结构中的正确位置上的晶体，称为理想晶体。事实上这种理想晶体是不存在的，自然界中的实际矿物晶体都不可避免地存在缺陷，并且这种缺陷在理论上和实际应用中都有重要意义，如晶体缺陷决定着矿物颗粒的化学活性，并对其光学性质、电学性质、声学性质、力学性质和热学性质等都有影响。
　　矿物晶体缺陷可分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷等多种类型。点缺陷是指在晶体点阵位置上存在空位或被外来杂质原子取代，如类质同象替代就属于这种情况。线缺陷是指在晶体中沿某一条线附近的原子排列偏离了理想晶体的点阵结构，如位错就是一种线缺陷。面缺陷存在于由许多单晶颗粒组成的多晶体中；多晶体不同取向的晶粒之间的界面称为晶粒界面，若晶粒界面附近的原子排列出现紊乱，就构成了面缺陷。体缺陷是一种比较大的缺陷，如固体包裹物、空洞等，该类缺陷与基质晶体已不属于同一物相。
　　矿物材料颗粒的表面缺陷对其表面性质和颗粒的行为等有直接影响。例如，当半导体矿物材料的表面缺陷率仅为10？6数量级时，就足以使其表面的吸附性改变50%；表面缺陷则可使矿物颗粒的表面化学活性发生变化。晶体矿物在研磨后将产生非晶质化，如磨光的石英晶体表面被无定形SiO2所覆盖，其厚度可达数十纳米，此时即使加热到200℃，其表面依然有相当数量的羟基存在(约4～5个/nm2)，从而大大提高了颗粒表面的化学活性。
　　单位体积或单位质量的矿物所具有的表面积称为矿物颗粒的比表面积。矿物颗粒的粒度越细，颗粒的比表面积就越大，如粒度为1 cm的颗粒破碎到粒度1 μm时，该矿物颗粒的比表面积增大约1万倍。颗粒的表面积可分为外表面积和内表面积。外表面积是指颗粒的外部轮廓所包络的表面积，由颗粒的大小和外部形状所决定。内表面积则是由颗粒内部的孔隙、裂纹等构成的表面积。
　　4）矿物的吸附性
　　吸附性是指矿物颗粒表面吸附其他物质的能力，可分为物理吸附和化学吸附两类。物理吸附是指被吸附的物质与矿物颗粒表面之间的相互作用很弱，通常仅形成分子键，其吸附过程中释放出的能量约为20 kJ/mol，吸附时不发生化学反应。例如，高岭石对N2和空气中的水分的吸附就是物理吸附。化学吸附是指被吸附的物质与矿物颗粒表面之间发生相互作用形成化学键，通常为共价键，其吸附过程释放出的能量约为200 kJ/mol，该能量可引起吸附物分子键的断裂，从而生**的化合物。例如，CaO吸附空气中的CO2形成CaCO3。
　　矿物材料的吸附性得到了广泛应用，工业上具有强吸附性的矿物常被用作催化剂和吸附剂，农业中常将它们用作农药和化肥的载体等。影响矿物材料颗粒表面吸附性的因素有很多，主要包括以下方面：
　　(1)矿物材料和被吸附物质的种类。不同的矿物具有不同的吸附性，同一种矿物对不同物质的吸附性也不一样。
　　(2)比表面积。矿物材料的比表面积越大，矿物颗粒的吸附量就越大。比表面积的大小取决于矿物颗粒的大小和分散程度。如边长为1 cm的立方体的表面积为6 cm2，把它破碎至10？7 cm的颗粒，其表面积将达到6000 m2，增大了1000万倍。
　　(3)温度。吸附过程一般为放热过程，降低温度有利于吸附作用的发生，但对于化学吸附，升高温度将是有利的。
　　(4)湿度和压力。环境的湿度和压力将影响矿物的吸附能力。例如，纤蛇纹石石棉的吸湿性随空气中湿度的增加而增强。环境蒸气压增大，矿物的吸湿性也提高。
　　5）矿物颗粒的表面电性
　　矿物颗粒的表面电性是指矿物颗粒表面的带电现象，起因于矿物颗粒表面的化学吸附、表面层中离子的溶解或置换等作用。处于水溶液中的矿物颗粒，因对水中带电离子的吸附作用而形成吸附双电层结构。吸附双电层结构是指当矿物颗粒与液相间产生相对运动时，将有一与矿物颗粒表面紧密结合在一起的液体层随矿物颗粒一起移动，该液体层就被称为吸附层；吸附层之外是扩散层，吸附层与扩散层的分界面称为滑动面。滑动面与溶液本体之间的电位差叫作颗粒的动电电位，通常以Zeta电位(ζ)表示。测定和研究矿物颗粒的Zeta电位，即可了解矿物的表面电性。
　　矿物的表面电性是决定矿物絮凝、凝聚、分散和吸附等作用的*重要因素。影响矿物颗粒表面电性的主要因素有：
　　(1)矿物的种类。不同的矿物其颗粒的表面电性不同，矿物的动电电位可为正值，也可为负值，各矿物的动电电位的大小也相差很大。如纤蛇纹石的动电电位为正值，方解石、白云母的为负值。
　　(2)溶液的性质。溶液中的电介质浓度越高，矿物颗粒的双电层中的反号离子越多，表面电性也随之发生改变。溶液中离子的价态也影响矿物颗粒的表面电性。
　　(3)矿物的颗粒形状和大小。矿物颗粒表面不光滑及粒度减小都将使矿物颗粒的表面带电性增强。
　　(4)表面风化。矿物颗粒的表面风化后，其溶解性和氧化性等也将随之发生变化，导致矿物表面的电性也随之改变。如纤蛇纹石石棉的动电电位为正值，但风化后的其动电电位常为负值。
　　(5)杂质。矿物颗粒中混有其他杂质时对其表面电性也有影响。
　　6）矿物与液体的亲和性
　　矿物与液体的亲和性主要包括矿物的表面润湿性、流变性、水溶性和分散性等。当矿物颗粒与液体物质接触时，一旦形成界面，就会发生降低表面能的吸附现象，液体物质将在固体颗粒表面铺展开来，这种液体在固体颗粒表面铺开的现象称为润湿，液体在固体颗粒表面铺开的能力即称为液体对固体的润湿性。通常用接触角来度量矿物固体表面的润湿性强弱(即亲水或疏水程度)。当气泡在矿物固体颗粒表面附着(或水滴附着于固体表面)时，其接触是三相接触(称为三相润湿周边)；当三相界面的自由能(以界面张力表示)达到平衡条件时，在润湿周边上任意一点处，液/气界面的切线与固/液界面切线之间的夹角称为平衡接触角，简称接触角(用θ表示)。
　　1.1.3.2 矿物材料的光学性质
　　矿物材料的光学性质包括颜色、折射率

目录
丛书序
前言
第1章 矿物材料概述 1
1.1 矿物材料的概念、结构及物性 1
1.1.1 矿物材料的定义 1
1.1.2 矿物材料的组成和结构特点 2
1.1.3 矿物材料的应用性能 2
1.2 矿物材料的未来走向 13
1.2.1 矿物材料的知识体系 13
1.2.2 矿物材料的发展及面临的挑战 14
参考文献 15
第2章 矿物学基础 17
2.1 地球上矿物的空间分布 17
2.1.1 地核的物质成分 17
2.1.2 地幔的矿物组成 17
2.1.3 地壳的矿物组成 18
2.2 地壳中矿物的空间分布 18
2.2.1 玄武岩层中矿物的分布 18
2.2.2 花岗岩层中矿物的分布 18
2.2.3 变质岩层中矿物的分布 18
2.2.4 沉积岩层中矿物的分布 19
2.3 地球矿物的时间分布 19
2.4 矿物分类 20
2.4.1 矿物的成分和结构 20
2.4.2 化合物类型及其阴离子与阴离子团的成分 20
2.5 地球上矿物的成因 21
2.5.1 地质作用 21
2.5.2 内生作用 21
2.5.3 外生作用 23
2.5.4 变质作用 25
2.6 矿物形成的时空关系 26
2.6.1 矿物的生成顺序和矿物的世代 26
2.6.2 矿物的共生和伴生 27
2.7 宇宙矿物的分布 27
2.7.1 陨石矿物 28
2.7.2 月岩矿物 28
2.7.3 宇宙尘矿物 28
2.8 矿物的形态 28
2.8.1 理想晶体与实际晶体 28
2.8.2 聚合体的形态 29
2.8.3 规则连生 30
2.8.4 晶体的表面微形貌 32
2.8.5 矿物集合体的形态 35
2.8.6 矿物形成的方式和条件 37
2.8.7 矿物成分和结构变化 38
2.8.8 矿物相变研究 38
2.8.9 假象和副象 39
2.8.10 晶质化与非晶质化 39
2.8.11 矿物标型 40
2.8.12 矿物中包裹体 40
2.9 矿物的物理性质 41
2.9.1 光学性质 41
2.9.2 力学性质 46
2.9.3 其他性质 47
2.9.4 放射性 52
参考文献 53
第3章 矿物材料晶体结构 54
3.1 硅酸盐晶体结构特征 54
3.1.1 硅酸盐矿物的化学组成 54
3.1.2 硅酸盐的晶体结构 55
3.1.3 硅酸盐矿物的分类 56
3.2 其他矿物晶体结构特征 70
3.2.1 单质 70
3.2.2 氧化物 72
3.2.3 碳酸盐 74
3.2.4 硫酸盐 76
参考文献 78
第4章 矿物材料表面与界面 79
4.1 矿物颗粒的几何特性 79
4.1.1 矿物颗粒的大小与分布 79
4.1.2 矿物颗粒的形状 94
4.1.3 矿物颗粒比表面积 104
4.2 矿物的表/界面及表/界面能 109
4.2.1 表面张力和表面能 109
4.2.2 晶界与晶界能 115
4.2.3 表面和界面结构 117
4.2.4 矿物的表/界面能 122
4.2.5 矿物表面的电性 124
4.2.6 矿物表面的润湿性 126
4.3 矿物表面的吸附特性 132
4.3.1 固体表面吸附现象 132
4.3.2 矿物对气体的吸附 134
4.3.3 矿物在溶液中的吸附 139
4.4 矿物颗粒的团聚与分散 146
4.4.1 矿物颗粒团聚的类型 146
4.4.2 矿物颗粒在气相中的团聚与分散 147
4.4.3 矿物颗粒在液相中的团聚与分散 153
参考文献 163
第5章 矿物材料加工理论 164
5.1 矿物材料提纯原理 164
5.1.1 概述 164
5.1.2 物理提纯 167
5.1.3 化学提纯 194
5.2 矿物超细粉碎理论 203
5.2.1 超细粉碎机理 203
5.2.2 超细粉碎过程的功耗 204
5.2.3 超细粉碎过程的动力学 207
5.2.4 超细粉碎过程的机械化学 211
5.2.5 粉碎过程的影响因素 232
5.2.6 超细颗粒的分散与助磨 234
5.3 矿物材料分级原理 247
5.3.1 概述 247
5.3.2 自由沉降 248
5.3.3 干涉沉降 250
5.3.4 水力分级 252
5.3.5 旋风分级 254
5.4 固液分离 255
5.4.1 概述 255
5.4.2 沉淀浓缩 256
5.4.3 离心分离 257
5.4.4 喷雾干燥 258
5.4.5 闪蒸 259
参考文献 260
第6章 矿物材料热力学基础 261
6.1 热力学基本参数和关系 261
6.1.1 热力学**定律 261
6.1.2 热力学第二定律 266
6.1.3 热力学函数的基本关系 270
6.1.4 化学位 274
6.2 相和相图热力学 277
6.2.1 相的相关概念 277
6.2.2 相平衡热力学 280
6.2.3 相图热力学 287
6.2.4 晶体缺陷热力学 295
6.2.5 相变热力学 297
6.3 硅酸盐熔体结构与热力学 301
6.3.1 硅酸盐熔体结构模型 301
6.3.2 含水硅酸盐熔体结构及作用机理 308
6.3.3 硅酸盐熔体密度与状态方程 312
6.3.4 矿物共生相分析的基本原理 315
6.4 矿物材料反应热力学 321
6.4.1 反应吉布斯自由能 321
6.4.2 反应能量消耗 321
6.4.3 热力学参数 322
参考文献 331
第7章 非金属矿物的表面改性 332
7.1 非金属矿物表面改性的应用与目的 332
7.1.1 非金属矿物表面改性的应用 332
7.1.2 非金属矿物表面改性的目的 334
7.1.3 非金属矿物表面改性影响因素 335
7.2 非金属矿物表面改性的方法及原理 338
7.2.1 概述 338
7.2.2 机械化学改性方法及原理 338
7.2.3 表面包覆改性方法及原理 340
7.2.4 表面化学改性方法及原理 344
7.2.5 沉淀反应改性方法及原理 345
7.2.6 接枝改性及原理 346
7.2.7 其他表面改性方法 346
7.3 表面改性剂及改性机理 349
7.3.1 偶联剂 350
7.3.2 表面活性剂 358
7.3.3 不饱和有机酸及有机低聚物 362
7.3.4 超分散剂 363
7.3.5 其他改性剂 366
参考文献 366
第8章 非金属矿物的功能改性原理 368
8.1 非金属矿物材料的功能归类 368
8.2 非金属矿物功能改性的原理与途径 368
8.2.1 包覆功能化改性 368
8.2.2 插层功能化改性 369
8.2.3 复合功能化改性 378
8.2.4 交联功能化改性 379
8.2.5 置换功能化改性 380
8.2.6 高温煅烧功能化改性 382
8.2.7 超声波加热改性 384
8.2.8 微波加热改性 384
8.3 非金属矿物纳米化功能改性的原理和应用 384
8.3.1 非金属矿物纳米化的现状 384
8.3.2 非金属矿物纳米化的方法及原理 386
8.3.3 电气石纳米化改性 388
8.3.4 LiFePO4纳米化改性 389
8.3.5 碳酸钙的纳米化改性 390
8.4 几种典型非金属矿物的功能改性实例 391
8.4.1 凸凹棒石的功能改性 391
8.4.2 海泡石的功能改性 394
8.4.3 膨润土的功能改性 398
参考文献 402
第9章 矿物材料的结构/功能复合设计 403
9.1 概述 403
9.1.1 材料复合的概念 403
9.1.2 复合材料的类别 405
9.1.3 复合材料的性能特点 410
9.2 复合设计的基本原则与效应 412
9.2.1 颗粒矿物复合设计与混合法则 414
9.2.2 纤维矿物复合设计与各向异性 415
9.2.3 层状矿物复合设计 417
参考文献 419