第1章 绪论
　　矿物材料制备技术是地球科学中地球物质领域的基础及应用学科，是“矿物学、岩石学、矿床学”、“矿物加工工程”与“材料科学”三个学科的交叉、渗透与融合，是一门综合性很强的应用技术，也是矿产资源开发利用技术之一。
　　截至2020年底，中国已发现矿产173种[1]，其中，能源矿产13种、金属矿产59种、非金属矿产95种、水气矿产6种。中国已成为矿种齐全，总量丰富的资源大国，矿产资源储量居世界第三位。但我国矿产资源人均占有量远远低于世界平均水平，在45种主要矿产资源中，我国人均储量居世界第80位，仅为世界平均水平的58%。矿产资源的开发利用支撑了我国70%以上的国民经济运转[2]。随着经济建设的快速发展，中国已经成为全球能源和重要矿产资源**消费大国[3]，多种大宗和关键金属矿产对外依存度居高不下，部分矿产供应安全已越红线，直接影响全球矿产品价格波动，威胁国家经济安全。因此，为了保障我国经济快速发展，确保国家经济安全，应加大矿产资源储备，提升、改进采矿选矿技术，加快装备智能化，提高资源利用率和保护环境，优化传统产业结构和升级换代，并高值和高效利用矿产资源。
　　2021年，国家发展和改革委员会制定了《“十四五”循环经济发展规划》，提出坚持节约资源和保护环境的基本国策，遵循“减量化、再利用、资源化”原则，着力建设资源循环型产业体系，加快构建废旧物资循环利用体系，深化农业循环经济发展，全面提高资源利用效率，提升再生资源利用水平，建立健全绿色低碳循环发展经济体系，为经济社会可持续发展提供资源保障。该规划也明确了矿产资源可持续发展的目标。
　　2021年，自然资源部发布了《全国矿产资源节约与综合利用报告(2020)》，报告中建议“十四五”时期，要坚持节约资源和保护环境的基本国策，坚持节约优先、保护优先、自然恢复为主的方针，适应新时代要求，以矿业权人勘查开采信息公开公示为基础，以矿产资源安全和环境保护为目标，健全矿产资源合理利用与保护管理制度，全面节约和高效利用指标体系和长效机制基本建立。力争用5年左右的时间，基本构建形成“调查监测数字化、梯级利用标准化、技术推广常态化、监管服务信息化、配套政策系统化”的矿产资源节约与综合利用新格局，推进资源全面节约和高效利用，为加快推进自然资源领域生态文明建设提供保障。要落实节约集约战略，推进矿产资源规模化开采；以资源综合效益为核心，整体提高矿产资源综合利用水平；建立部门内外统筹协调机制，强化激励约束政策合力；发挥现代化信息技术手段和平台，推进智能矿山建设；推进政府执政效能建设，健全资源保护利用监督管理。该报告是我国矿产资源领域在“十四五”时期的指导方针。
　　2020年9月11日，习近平总书记在科学家座谈会上指出：希望广大科学家和科技工作者肩负起历史责任，坚持面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康，不断向科学技术广度和深度进军。矿物材料属于基础应用大宗材料，通过制备技术的改进，转化为“四个面向”的科技创新能力，实现矿物材料领域跨越式发展。
　　总之，以矿产资源有效利用为目的的矿物材料制备技术是国家矿产资源安全和经济安全的技术保障之一。在当今资源为王时代，尤其是俄罗斯和乌克兰战争惊扰了全球市场，美国政府更是宣布运用战时法案，将锂矿、镍、钴、锰等纳入战时物质储备，开启全球“抢矿”模式。因此全面提高矿产资源利用效率，保障战略性矿产资源安全，减少关键矿产对外依存度，大幅提升选矿技术显得尤为重要。矿物材料制备技术的任务是：优化传统产业和产品结构，培育壮大新材料产业，实现低碳可循环发展，促进矿产资源供给高端化和绿色化，将我国资源优势转化为市场优势和经济优势。
　　1.1 基本概念
　　1.1.1 矿物与岩石
　　矿物(mineral)是天然产出的单质或化合物，具有一定化学成分和内部结构的固体，是组成岩石和矿石的基本单元。截至2019年年底，全球已发现并经国际矿物学协会新矿物和矿物命名委员会批准有效*立矿物达5575种[4]。在矿物中绝大多数属于晶质矿物，只有极少数为非晶质矿物。由人工方法合成的与天然矿物类同的单质或化合物，称为合成矿物。矿物原料和矿物材料是极为重要的天然资源，被广泛应用于国民经济众多领域。
　　岩石(rock)是天然产出的具有一定结构的矿物集合体，是构成地壳和上地幔的主要组分。按成因，可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。岩浆岩是由高温熔融的岩浆在地表或地下冷凝所形成的岩石，也称火成岩或喷出岩；沉积岩是在地表条件下由风化作用、生物作用和火山作用的产物经水、空气和冰川等外力搬运、沉积和成岩固结而形成的岩石；变质岩是由早期形成的岩浆岩、沉积岩或变质岩，由于其所处地质环境的改变经变质作用而形成的岩石。地壳表面以沉积岩为主，约占陆地面积的75%。
　　1.1.2 材料科学与矿物材料学
　　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[5，6]。组成(成分)与结构、合成与制备、性能和使用效能被称为材料科学或材料科学与工程的“四要素”，这一概念也得到了国内外同行的广泛认同[7，8]。
　　矿物材料是以矿物为主要组分的材料，是可直接或间接使用的固体物质，包含材料和矿物岩石的特征。矿物材料学的研究始于20世纪80年代，对于矿物材料学的概念，我国学者有不同的观点。
　　吴季怀等[9]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。
　　邱冠周等[10]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。
　　沈上越等[11]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”的内涵要深刻得多，“非金属矿的开发与利用”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既包括了深加工技术，也特别强调材料的复合、材料的现代合成技术及其机理。
　　彭同江[12]认为，矿物材料指从天然矿物和岩石本身的物理化学性质出发，经过对原料(主要是非金属矿)适当加工处理，形成的直接使用或制造有用物件所使用的物质。
　　郑水林[13]提出非金属矿物材料，认为其以非金属矿物或岩石为基本或主要原料，通过深加工或精加工制备的具有一定功能的现代新材料。非金属矿物材料具有以下特征：①原料或主要组分为非金属矿物或经过选矿或初加工的非金属矿物；②非金属矿物材料没有完全改变非金属矿物原料或主要组分的物理、化学特性或结构特征；③非金属矿物材料是通过深加工或精加工制备的功能性材料，不能直接应用的原矿和初加工产品不属于非金属矿物材料的范畴。
　　汪灵[14]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。矿物材料学*重要、*鲜明的特征是，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。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；②矿物材料学是一门新兴的交叉学科；③矿物材料学是一门理工结合、理论与实际相结合的学科；④矿物材料学是以天然矿物与人工矿物并重的学科；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。
　　廖立兵认为矿物材料应强调“六要素”，即矿物原料、组织结构、性质、合成/制备、使用效能和理论及工艺设计[15]，而且要体现“矿物原料”的中心地位，即“矿物原料”对其他五要素有重要影响，“理论及工艺设计”要素同时与其他五要素有关系，并将“岩石矿物材料”“矿物岩石材料”“矿物材料”等术语均统一称为“矿物材料”。
　　杨华明[16]认为矿物材料学是一门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，是矿物学、矿物加工学、材料学、冶金科学的交叉学科，特别是与矿物学有着天然的联系。
　　总之，矿物材料学是研究矿物材料(天然或合成)的组构、加工、性能和用途四要素之间关系和规律的学科。主要内容包括：揭示矿物材料结构与性能的构-效关系；新技术、新工艺和新装备在矿物材料加工中的应用；开发矿物材料功能；提升使用价值、拓展应用领域等。
　　1.1.3 矿物材料学的四要素
　　矿物材料学的四要素是组构、加工、性能和用途。
　　矿物材料的组构：包含组成(化学成分)与结构两个部分，是决定材料性能和应用的主要因素。组成是指构成材料物质的原子、分子及其分布，包括主要化学成分含量和微量元素含量；结构是指组成原子、分子的结合形式、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[14]。
　　矿物材料的加工：包含材料的制备与合成，是采用一定的工艺技术方法，实现由原料向材料的转化，或者促使原子、分子结合而构成材料的物理化学过程。
　　矿物材料的性能：包含材料的物理性能和化学性能，组构决定矿物材料的性能。
　　矿物材料的用途：直接用于生活或生产的矿物材料，是使用效能的通俗说法。矿物材料的性能决定应用领域、应用范围和应用条件等。
　　矿物材料的组构、加工、性能和用途四者之间有着强烈的相互依赖关系。
　　1.2 矿物材料加工与制备技术
　　1.2.1 材料加工技术发展史
　　材料加工技术的发展和矿物材料制备技术的发展紧密相关。材料加工技术的发展就是人类物资文明的发展史，从石器时代、青铜器时代、铁器时代、蒸汽时代、信息时代到现在的智能时代都伴随着材料的发展和矿物加工技术的进步。材料加工技术有着悠久的历史，并承载着强烈的新时代气息。迄今为止，材料加工技术发生了五次革命性的变化[17，18]。
　　**次革命：公元前4000年，人类从漫长的石器时代进入青铜器时代。以铜的熔炼技术和铸造技术的出现为契机，掌握了自然资源加工的技术，使用的工具由石器进化到金属，产生了**次材料加工技术的革命。人类的生产和社会活动也因此产生了一次质的飞跃。
　　第二次革命：公元前1350～前1400年前，人类从青铜器时代进入铁器时代。以炼铁技术和锻造技术为代表的材料加工技术的出现和发展，促成了人类历史上的第二次材料加工技术革命。工具与武器得到飞跃发展，生产率水平大幅度提高。
　　第三次革命：公元1500年前，人类从铁器时代进入合金化时代(蒸汽时代)。以高炉技术、金属精炼与合金化为代表的材料加工技术的出现，促进了钢结构、蒸汽机、机床、合金等领域的发展。
　　第四次革命：20世纪初期，人类从合金化时代进入合成材料时代(信息时代)。以酚醛树脂、尼龙等塑料合成技术、陶瓷材料制备技术为代表的材料加工技术的出现，促进了航空航天技术、陶瓷材料、信息技术、新材料等领域的发展，为人类现代文明作出了巨大的贡献。
　　第五次革命：20世纪90年代，新材料设计与制备技术时代(智能时代)。出现了资源-材料-制品界限模糊化，性能设计与制备技术一体化，促进了生物工程、环境工程

目录
丛书序
前言
第1章 绪论 1
1.1 基本概念 2
1.1.1 矿物与岩石 2
1.1.2 材料科学与矿物材料学 3
1.1.3 矿物材料学的四要素 4
1.2 矿物材料加工与制备技术 5
1.2.1 材料加工技术发展史 5
1.2.2 矿物材料制备技术 6
1.3 矿物材料制备技术的现状概述 7
1.3.1 表面负载 7
1.3.2 功能体在孔道层间的组装 9
1.3.3 有机功能体与层状硅酸盐的插层复合 9
1.3.4 硅酸盐矿物基功能复合材料的应用 11
参考文献 15
第2章 矿物材料分散技术 19
2.1 概述 19
2.2 分散剂的种类及其作用 25
2.2.1 无机分散剂 26
2.2.2 有机分散剂 28
2.3 矿物材料分散调控技术 30
2.3.1 物理分散方法 33
2.3.2 化学分散方法 37
2.3.3 矿物改性效果的预先评价 43
参考文献 45
第3章 矿物材料提纯技术 46
3.1 概述 46
3.2 矿物材料物理提纯技术 47
3.2.1 重选方法 47
3.2.2 浮选方法 51
3.2.3 磁选方法 55
3.2.4 电选方法 57
3.2.5 离心方法 62
3.2.6 其他方法 63
3.3 矿物材料化学提纯技术 67
3.3.1 碱熔方法 68
3.3.2 酸浸方法 69
3.3.3 氧化-还原方法 74
3.3.4 高温煅烧法 78
参考文献 86
第4章 矿物材料超细技术 87
4.1 概述 87
4.1.1 基本概念 87
4.1.2 影响超细粉碎效果的各种因素 92
4.2 助磨剂 98
4.2.1 助磨剂的种类 98
4.2.2 助磨剂的作用 101
4.3 矿物材料干式超细粉碎 103
4.3.1 气流超细粉碎 103
4.3.2 搅拌超细粉碎 104
4.3.3 振动超细粉碎 106
4.3.4 辊磨超细粉碎 106
4.3.5 球磨超细粉碎 109
4.3.6 机械冲击超细粉碎 114
4.4 矿物材料湿式超细加工技术 115
4.4.1 湿式搅拌磨超细加工 115
4.4.2 湿式砂磨超细加工 119
参考文献 120
第5章 矿物材料分级与分离技术 122
5.1 概述 122
5.2 矿物材料分级技术 127
5.2.1 干式分级 127
5.2.2 湿式分级 129
5.3 矿物材料分离技术 133
5.3.1 干式分离 133
5.3.2 湿式分离 134
参考文献 145
第6章 矿物材料混合与成型 148
6.1 概述 148
6.2 矿物材料混合技术 149
6.2.1 机械混合 149
6.2.2 气力混合 151
6.3 矿物材料成型技术 154
6.3.1 压缩成型 155
6.3.2 挤条成型 162
6.3.3 喷雾成型 171
6.3.4 转动成型 178
6.3.5 滚动成型 182
参考文献 187
第7章 矿物材料烧结技术 189
7.1 概述 189
7.1.1 相关概念 190
7.1.2 烧结理论 191
7.2 烧结技术 192
7.2.1 结构转变 193
7.2.2 高温膨胀 201
7.2.3 高温分解 205
7.2.4 高温熔融 210
7.3 矿物材料烧结影响因素 220
7.3.1 升温速率 220
7.3.2 处理温度 224
7.3.3 保温时间 228
7.3.4 反应气氛 231
参考文献 235
第8章 矿物材料表面改性技术 237
8.1 概述 237
8.2 矿物材料物理表面改性技术 238
8.2.1 机械物理改性 238
8.2.2 物理气相沉积 240
8.2.3 物理涂覆改性 241
8.3 矿物材料化学表面改性技术 242
8.3.1 机械化学改性 243
8.3.2 化学气相沉积 249
8.3.3 化学包覆改性 252
8.3.4 偶联剂表面改性 257
8.4 矿物材料特种表面改性技术 266
8.4.1 微波表面改性 266
8.4.2 等离子表面改性 268
8.4.3 电磁波辐射表面改性 271
参考文献 272
第9章 矿物材料调控技术 274
9.1 概述 274
9.2 矿物材料结构调控技术 275
9.2.1 碱熔改性 275
9.2.2 煅烧改性 278
9.2.3 插层改性 288
9.2.4 掺杂改性 297
9.2.5 外场改性 302
参考文献 307
第10章 矿物材料结构/功能复合技术 312
10.1 概述 312
10.2 矿物材料结构/功能一体化复合技术 313
10.2.1 颗粒矿物结构/功能复合技术 313
10.2.2 层状矿物结构/功能复合技术 318
10.2.3 管状矿物结构/功能复合技术 327
10.2.4 棒状矿物结构/功能复合技术 331
参考文献 335