1材料科學與工程概論
1.1的基本概念
材料:人類用於制造生活和生產用物品、裝置、部件、機器和其他產品的材料。
材料是物質，但並不是所有的物質都能稱為材料，如燃料、化工原料、工業化學品、食品和藥品，壹般都不算材料。
材料是科技發展水平和國家現代化水平的標誌。
材料科學、能源科學和信息科學是現代科學技術的三大支柱。
新材料、信息和生物技術是新技術革命的主要標誌。材料科學是以結晶學、固體物理學、熱力學和動力學、冶金學和化學工程為基礎，探索材料內在規律和應用的科學。材料工程或技術是根據材料應用中所需的性質，從成分、結構、性能等方面，應用已知的規律和理論的科學。到工程中的具體應用。
材料科學與技術是研究和應用材料的組成、組織、結構和制備技術與其性能和用途之間關系的學科。
1.2材料分類
(1)按材料的成分、微觀結構和性能分為無機非金屬材料、有機聚合物、金屬及合金、金屬材料和復合材料。
(2)按材料的性質和用途:①結構材料。由其結構特征決定的強度、硬度等力學性能能滿足工程結構的需要，在工程技術中主要用於壹類材料。包括金屬材料、陶瓷材料、聚合物材料和復合材料。②功能材料。具有特殊電、磁、光、聲、熱、機械、化學和生物功能的新材料；是信息技術、生物技術、能源技術等高科技領域和國防建設的重要基礎材料；同時，它在改造壹些傳統產業，如農業、化工、建材等方面發揮著重要作用。在全球新材料領域，功能材料約占85%。特殊功能材料在推動和支持高技術發展中起著重要的作用。它們是新世紀生物、能源、環保、航天等高科技領域的關鍵材料。它們已成為各國新材料發展的重點和各國高技術發展戰略競爭的焦點。功能材料按其性能分為微電子材料、光電材料、傳感器材料、信息材料、生物醫學材料、生態環境材料、能源材料和智能(智能)材料。
(3)納米材料:指原子團簇、納米顆粒、納米薄膜、碳納米管、納米固體材料的總稱。原子團簇:包含幾個到幾百個尺寸小於1nm的原子或粒子，是介於原子和固體之間的原子集合體。納米粒子:尺寸大於原子團簇，小於普通粒子，壹般尺寸為1 ~ 100 nm。納米薄膜:是指含有納米粒子和原子團簇的薄膜、納米尺寸厚度的薄膜、納米第二相粒子沈積塗層、納米粒子復合塗層或多層薄膜。具有準三維結構和特征，性能異常。納米固體(Nano-solid):在納米尺度水平上，在晶界、相界或位錯等缺陷的核心排列原子，得到具有新的原子結構或微結構性質的固體。納米晶材料(具有高密度的缺陷核，超過50%的原子位於缺陷核中)、納米結構材料(由許多被彈性扭曲的晶體區域分隔的缺陷核心區域組成)、納米復合材料(O-O復合:不同種類納米顆粒的復合；O-2復合:納米粒子分散在二維薄膜材料中；O-3復合:納米顆粒分散在三維固體中)。納米粒子的基本性質:電子能級不連續性(準連續能級離散化)、量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應和宏觀量子隧道效應。由於納米粒子的特殊性質，納米材料具有壹系列特殊的性質。
(4)多孔材料:具有高比表面積、高吸附、離子交換等性能。廣泛應用於吸附、分離、催化、納米技術、分子識別、石油化工、精細化工和分子電子器件等領域。根據國際純粹與應用化學學會(IUPAC)的分類方案，多孔材料按孔徑大小分為微孔材料(D < 2 nm)、介孔材料(2 nm < D < 50 nm)和大孔材料(D > 50 nm)。
(5)材料研究的四個要素:性質與性能、組成、結構與合成和工藝。
2礦物材料科學導論
2.1基本概念
礦物材料:以天然礦物或巖石為主要原料，經過加工、轉化而獲得的不以提純金屬和化工原料為目的的材料，或物理化學性質可直接應用的礦物或巖石。礦物材料科學:是研究礦物材料的組成、結構、性能、加工和制備技術及其相互關系和工程應用技術的綜合性邊緣學科。
2.2礦物材料學的研究內容
基礎理論研究:礦物材料的性質與其礦物成分、無定形成分、化學成分、微量元素等物質成分的關系；礦物材料的性質與其晶體結構、晶體化學、多晶型、結晶度和有序性以及巖石結構和構造的關系；礦物材料的性質與其晶界、表面和粒度之間的關系；礦物材料的性質與所用原料種類、礦石種類、原料產地的關系；礦物材料的性質與其加工條件如加工溫度、壓力、氣氛、礦化劑、粘合劑、乳化劑和偶聯劑之間的關系；等壹下。
生產技術與應用研究:礦物材料的生產工藝路線、工藝、設備、最佳配方等工程技術問題，以及礦物材料的應用領域、適用條件、保存方法等。
2.3礦物材料的分類
根據礦物材料的組成、結構和性質(壹元體系、二元體系...);
根據礦物材料的用途(陶瓷、玻璃、耐火材料...);
根據礦物材料的狀態(單晶、多晶、非晶、復合、分散)；
按加工工藝特點:天然礦物材料、深加工礦物材料、復合和合成礦物材料；
綜合分類:熔融漿料材料(熔融註射晶體、玻璃熔塊纖維等。)、燒結材料(耐火材料、陶瓷等。)、保溫材料、膠凝材料、其他材料(建築石材、粉體材料等。);
建議分類方案(按材料性質和用途):結構礦物材料(石材、結構陶瓷、礦物增強聚合物復合材料等。)和功能礦物材料(環境礦物材料、納米礦物材料、生物醫用礦物材料、特殊功能礦物材料等。).
2.4礦物材料研究的意義
非金屬礦產在國民經濟中占有非常重要的地位，幾乎應用於國民經濟的所有領域。隨著科學技術的不斷發展，非金屬礦的應用領域還在不斷擴大。在經濟發達國家，非金屬礦產的總產值大於金屬礦產，於是有學者把非金屬礦產的價值是否大於金屬礦產的價值作為衡量壹個國家是否達到工業化國家的標誌，預言21世紀將進入“新石器時代”。非金屬礦產的開發和應用不僅在於掌握非金屬礦產資源，還在於掌握非金屬礦產開發和應用的先進技術。中國非金屬礦產資源豐富，已探明儲量87種，產地6000多個。但由於我國非金屬礦開發應用技術落後，大部分非金屬礦都是粗加工產品，所以總產值很低。
開展和加強礦物材料科學研究，對提高我國非金屬礦產資源利用水平，改善人民生活質量，促進經濟社會發展具有重要意義。
3中國礦物材料科學的研究現狀
3.1非金屬礦物原料深加工研究
研究主要向超細粉碎、精細分級、提純改性和多品種方向發展。由於磨礦技術的進步，超細磨礦和分級設備的發展，中國已經能夠進行各種粒度的磨礦和分級，單個礦物的磨礦和分級水平達到國際先進水平。提純研究也取得了很大進展，主要表現在新礦物提純新技術的大量湧現，傳統非金屬礦物提純工藝的改進，細顆粒提純和高純度加工設備的顯著發展。
總之，在選礦理論、方法、設備、選礦工藝和選礦藥劑應用研究方面取得了可喜的成績。目前，我國已基本具備處理高純石墨、應時、矽藻土、高嶺石、膨潤土和金紅石的成熟技術。
3.2研究礦物孔隙或層間域中的離子、分子交換和嵌入
它已成為礦物材料研究的熱點。研究對象主要是具有孔隙結構的礦物和巖石，如沸石、以蒙脫石為主要成分的各種粘土礦物、石墨等層狀結構礦物。研究內容包括:孔隙或層間離子交換技術及其應用；粘土礦物間的“柱撐”和插層技術及其應用。目的是利用這些礦物孔隙或層間疇中物質的互換性和層間疇的膨脹性，或者對這些性質進行改造，使其具有新的、優良的特性可以使用。例如對粘土礦物、沸石或膨脹石墨進行改性，使其具有吸附不同有害成分的性能，可以制備吸附劑用於各種環境治理。該領域的研究和應用領域非常廣泛。除了在汙水處理中的應用，改性孔結構和層狀結構礦物巖石還廣泛用作催化劑載體、肥料增效劑、防水劑、膨脹劑、防沈劑、凝膠、粘合劑、增塑劑、增稠劑、懸浮劑、脫色劑、導電材料、快離子導體材料、染料、幹燥劑、過濾器等。
3.3礦物表面改性技術及其應用研究
即通過物理和化學方法對礦物表面進行處理，改變其表面性質，如表面原子結構和官能團、表面疏水性、電學性質、化學吸附和反應特性等，從而改善或提高礦物的應用性能。主要目的是使礦物和聚合物作為填料添加到各種有機聚合物中時具有良好的相容性，同時也提高礦物填料在聚合物中的分散效果。研究內容主要包括:表面改性劑的選擇、不同表面改性劑對不同礦物的作用、表面改性過程、表面改性效果等。
表面改性劑分為有機和無機:①有機表面改性劑:偶聯劑(矽烷、鈦酸酯、鋯及絡合物等。)、高級脂肪酸及其鹽、聚烯烴低聚物、不飽和有機酸和有機胺；②無機表面改性劑:氧化鈦、氧化鈉、氧化鐵、氧化鋯、氧化鋁、氧化矽等金屬氧化物。
目前應用最廣泛的表面改性劑是偶聯劑，其中以矽烷偶聯劑和鈦酸酯偶聯劑應用最為廣泛。矽烷偶聯劑對表面有活性羥基的礦物效果較好，其次是硼、鐵、碳的氧化物，對表面無羥基的碳酸鹽和堿金屬氧化物幾乎無效。
鈦酸酯偶聯劑在礦物中應用廣泛，對表面帶有活性羥基的應時和表面呈中性或堿性的碳酸鈣、二氧化鈦、長石、角閃石等大部分非金屬礦物都有很好的偶聯效果。
3.4以非金屬礦物為原料的新型建築材料研究
作為建築材料的非金屬礦物是礦物材料最傳統的研究領域。隨著科學技術的發展，該領域的研究水平也有所提高，新技術不斷湧現，仍然是礦物材料研究的重要領域。
研究內容主要集中在三個方面:傳統原料礦物新技術的應用研究、新原料礦物的發現和替代傳統原料礦物的研究、新型建築材料的開發。
它的應用範圍很廣，涉及各種塗料、耐火材料、水泥、玻璃、陶瓷等。
3.5非金屬礦有用元素綜合利用研究
壹般來說，非金屬礦產的開發利用不是以提取利用某些元素為目的，這是與金屬礦產最大的區別。
由於資源的短缺以及某些非金屬礦物和巖石的特殊成分和結構，非金屬礦物中某些元素的綜合利用研究越來越受到重視。
例如，由於我國鉀資源嚴重短缺，已成為影響我國農業發展的主要因素，許多非金屬礦巖石中富含鉀。因此，非金屬礦物巖石中鉀的開發利用引起了礦物材料研究者的重視，鉀鹽、含鉀頁巖、伊利石等富鉀礦物巖石相繼被活化制備礦物鉀肥。
3.6合成礦物材料的研究
合成礦物材料的研究包括兩個方面:由壹種天然礦物合成另壹種礦物；用化學試劑合成礦物。
主要新成果:利用凹凸棒土與磷酸反應生產活性二氧化矽，利用天然沸石生產超輕矽酸鈣，利用葉蠟石合成沸石，人工合成金剛石，人工合成皂石，人工合成黃銅礦型太陽能電池材料，利用應時和粉煤灰為原料合成氮化矽和賽隆。
3.7環境礦物材料的研究
環境礦物材料是指以天然礦物巖石為主要原料，在制備和使用過程中能與環境相容協調，或廢棄後能被環境降解或對環境具有壹定凈化和修復功能的材料。
利用天然礦物開采環境礦物材料具有得天獨厚的條件，因為:礦物材料的原料是天然礦物，與環境相容性好；礦物材料的生產能耗低，成本低；礦山尾礦的綜合利用本身屬於環境材料學的研究內容；許多礦物材料具有良好的環境修復和環境凈化功能。
因此，大力開展和加強礦物環境材料的研究符合礦物材料的特點，建立環境礦物材料分支學科是時代的要求，也是礦物材料的重要發展方向。
根據礦物材料的特點及其在環保領域的應用，環境礦物材料的主要發展方向有:①環境工程礦物材料，即具有環境修復(如空氣和水汙染治理)、環境凈化(如殺菌、消毒、過濾、分離)和環境替代功能(如替代環境負荷重的材料)的礦物材料；(2)環境相容礦物材料——與環境具有良好相容性和協調性的礦物材料(如生態建築材料)。
礦物材料用於環保由來已久，但近年來備受關註，新技術、新材料、新應用成果層出不窮。
除了礦物材料在傳統汙水處理、大氣吸附、過濾、脫色等方面的應用水平不斷提高外，在生態建材方面也有新的應用技術和產品(如低溫快燒陶瓷、具有保溫隔熱、吸音調光功能的建材等。)、殺菌、消毒劑以及礦山尾礦的綜合利用。
3.8納米礦物材料的研究
這是礦物材料研究的壹個新領域，與上述許多研究領域相關。如非金屬礦物深加工中的超細粉碎正在向納米級發展，並已制備出壹些納米非金屬礦物制品；將層狀矽酸鹽礦物改性並應用於納米粒子，通過柱撐作用增強橡塑制品，已成為壹個新的方向。人們將越來越關註微孔和介孔礦物材料的合成和填充(自組裝)，等等。
3.9生物醫用礦物材料的研究
包括生物醫學材料和礦物藥物。
生物醫學材料:與生物系統結合使用的材料，用於診斷、治療或替換生物體內的組織和器官或增強其功能。也稱為生物材料。
礦物藥:由天然礦物或其中壹種礦物制成的各種藥材。
3.10特種礦物功能材料的研究
如發現光子晶體具有蛋白石結構，利用有序正方形應時制備非線性光學晶體或作為制備光子晶體的模板，利用改性蒙脫土制備具有高穩定性、可重復性和催化性的復合電極，利用纖維狀海泡石作為增強材料制備摩擦材料等。
3.11礦物材料的其他應用研究
礦物材料的研究還包括寶石的加工與改良，礦物材料的基礎理論研究等諸多方面，很難簡單概括。寶石加工改良已經發展成為壹個特殊的領域，我們就不重點介紹了。
4礦物材料的重要發展方向
4.1重要非金屬礦物在不同物理場和化學環境中的作用
金屬礦物主要利用壹種元素，非金屬礦物主要利用其物理化學性質和工藝特性。工藝特征主要取決於非金屬礦物的化學成分、結構和構造，以及它們的光、電、熱、磁、聲等性質，以及溶解、吸附、催化、擴散等物理化學特征。
因此，對非金屬礦物的成分、結構和各種物理化學性質的研究是開發和應用非金屬礦物的基礎。開展非金屬礦物的場效應和應用基礎研究，將獲得重要非金屬礦物的完整物理化學性質參數並找出這些參數與礦物成分、結構和外界環境的關系，建立非金屬礦物數據庫，有利於礦物材料的設計和研究。對改進現有礦物加工技術，改進以這些礦物為原料的現有材料制備技術，開辟這些非金屬礦物新的應用途徑和領域，開展礦物材料設計研究具有重要意義。
研究內容:在電場、磁場、光波、聲波的作用下，或在各種化學環境中，測試非金屬礦物的各種參數(即非金屬礦物的物理化學性質)；討論了這些參數與礦物組成、結構和外界條件的關系。
目的是獲得重要非金屬礦物的綜合物理化學參數，為其有效應用或開辟新的應用領域奠定基礎。
4.2非金屬礦物的表面和界面研究
礦物表面是指礦物與真空或氣體的界面。體表具有許多不同於體內的活性化學性質和物理性質。
礦物材料的界面是指礦物材料中各相之間的接觸面。界面對多相礦物材料的性質起著極其重要的作用，甚至控制著它。曲面與界面既有區別又有聯系。礦物原料表面是礦物材料界面的基礎，對礦物材料界面有重要影響。因此，對礦物表面和界面的研究不能完全分開。礦物材料的表面和界面問題尚未引起足夠的重視。隨著礦物材料科學的發展和深入研究，表面、界面及其工程的研究將成為礦物材料科學研究的前沿領域。比如礦物的超細、超純加工，納米礦物材料的開發，都離不開表面、界面及其工程化。研究內容采用了高分辨電子顯微鏡、衍射襯度電子顯微鏡、掃描隧道電子顯微鏡、X射線能譜、電子能量損失譜、同步輻射連續X射線能量色散衍射等先進的分析測試技術。，研究片層成分和成分變化、位錯類型和分布、殘余應力等。揭示礦物和礦物材料的組成、表面和界面的結構細節以及它們與各種微觀尺度的材料性能的關系；重點研究骨架和層狀礦物的孔隙結構特征、層間結構特征、孔隙和層間域的各種化學和物理特征；研究了不同產狀和粒度的礦物粉體的表面特性及其與加工工藝的關系。著重討論了礦物的超純和超細技術及其對礦物粉體表面和界面特性的影響。基於礦物表面與界面的研究成果和現有的表面與界面工程方法，研究開發了以層狀礦物為主的壹系列重要非金屬礦物深加工新技術，開發了壹系列性能優異的新型礦物材料。
4.3礦物新材料設計研究
材料設計是近年來形成並迅速發展的材料科學的壹個分支。它是材料科學理論與現代計算機技術相結合的產物，是社會經濟發展對材料科學研究的要求。因為傳統的“試錯”方法已經無法制備出符合時代要求的新材料，只能在理論的指導下進行“理性設計”，即根據材料的具體要求，對材料配方、制備工藝、材料性能和行為機理進行預測。
礦物材料的設計尚未明確提出，但已有壹些相關工作報道。可以預計，隨著礦物材料設計的發展，礦物材料研究的水平將會提高到壹個新的水平，新的礦物材料也將不斷出現。要註意吸引材料化學、材料物理、計算機科學等方面的專家學者參與這項工作。
4.4環境礦物材料科學研究
近年來，雖然環境礦物材料發展迅速，取得了豐碩的成果，但作為壹個學科分支，環境礦物材料科學尚未建立，環境礦物材料、環境工程礦物材料、環境相容礦物材料、環境可降解礦物材料、環境負擔評估和生命周期評估(LCA)等概念尚未被廣泛接受。
今後應進壹步加強環境礦物材料的研究，提高環境礦物材料的研究和應用水平，拓展環境礦物材料的應用領域，發展環境礦物材料的相關理論(生態設計、生態加工和生態評價)，擴大環境礦物材料在學術界和工業界的影響。
因此，環境礦物材料科學的發展還有很長的路要走。
4.5農業礦產資源高效應用理論與技術研究
中國是壹個人口眾多的國家，也是壹個農業大國，面臨著以少量土地養活大量人口的巨大壓力。解決這個問題的唯壹方法是依靠科學種田，增加產量，保持生態平衡。天然非金屬礦物可以在這些方面發揮重要作用。非金屬礦在農業上的應用主要包括:生產化肥，包括氮、磷、鉀肥；微量元素肥料；稀土元素肥料、有機肥等。；作為飼料原料或添加劑；用作藥物礦物和載體礦物生產農藥或直接用作殺蟲劑；用於土壤改良。
上述應用均已開展，但應用技術水平低、範圍窄，遠不能滿足農業發展的需要，也遠不能充分發揮非金屬礦產在這方面的應用潛力。例如，我國是壹個鉀鹽資源短缺的國家，開發研究含鉀礦物巖石中的不溶性鉀，可以解決我國鉀鹽資源短缺的問題。但目前這項研究仍然沒有大的突破，主要問題是還沒有找到壹種效率高、成本低、環境負擔小的工藝技術。
研究內容包括:含鉀礦物和巖石中鉀的活化、提取和綜合利用新技術；非金屬礦物中微量元素、稀土元素及其他有用元素的綜合利用研究:非金屬礦物巖石在水土改良和生態環境改善中的應用研究。
4.6納米礦物材料的研究
由於納米材料獨特的組成、結構、性能和制備方法，該領域的研究仍將是材料科學的前沿領域。與其他納米材料相比，納米礦物材料的研究深度和廣度有待提高。因此，納米礦物材料除了其他納米材料面臨的* * *問題外，還應加強以下研究:納米礦物材料制備新工藝、新型納米礦物材料的開發、納米礦物材料的理論研究。
參考
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