非金属矿物学

,*,非金属矿物学,2013年10月,1,参考教材：,课程性质：,非金属矿加工与应用 郑水林,专业选修课,主要内容,1、绪论,2、矿物学通论,3、非金属矿共性加工技术,4、非金属矿各论,5、非金属矿物材料的应用,非金属矿物材料 郑水林,结晶学及矿物学 赵珊茸,矿物材料 韩跃新,2,第一章 绪论,1.1 发展历程,1.2 定义及特征,1.3 非金属矿分类,1.4 非金属矿物材料的主要研究内容,1.5,非金属矿物材料的发展趋势,3,1.1 发展历程,非金属矿是人类利用最早的地球矿产资源。,旧石器时代：人类以石器为主要劳动工具的早期泛称旧石器时代。从距今260万年延续到1万多年以前,旧石器时代早期文化的传统工具之一，,用反复纵横打制的石球。当时的居民用以掷击野兽，或系在飞石索上猎取动物。,中国旧石器时代的晚期，以采集为主、狩猎为辅的原始经济有了更快的发展。,1963年，在中国,山西,朔县峙峪村的,旧石器时代,晚期遗址中发现了一枚用,燧石,打制的,箭镞,。该遗址的年代约为距今2.8万年。这个发现确凿地证明了中国先民在距今约2.8万年已经使用弓箭。,4,燧石,俗称“火石”,主要由隐晶质石英组成。,坚硬，破碎后产生锋利的断口，所以石器时代的绝大部分石器都是用燧石打击制造的。,燧石和铁器击打会产生火花，所以也为古代人用作取火工具。,1.1 发展历程,5,新石器时代,：始于距今8千年前的人类原始(母系)氏族的繁荣时期。以磨制的石斧、石凿和石铲，琢制的磨盘和打制的石锤、石片、石器为主要工具。,新石器时代有3个基本特征：,1.开始制造和使用磨制,石器,;,2.发明了,陶器,;,3.出现了原始农业、养畜业和手工业；,1.1 发展历程,6,青铜器时代,：指主要以青铜为材料制造工具、用具、武器的人类物质文化发展阶段。,青铜,是红铜(纯铜)与锡或铅的合金，熔点在700-900之间，比红铜的熔点(1083)低。含锡10的青铜，硬度为红铜的4.7倍，性能良好。,1.1 发展历程,7,1.1 发展历程,2013年10月23日，湖南省汨罗市罗城社区桐子坡一在建工地发现一处古墓群，已发掘墓葬23座，出土青铜兵器、玉器、陶器等文物60余件，初步判断为岳阳地区发现的分布最为密集的东周墓葬群。,发现了一把青铜兵器，虽然已过2000多年，但还闪闪发光，非常锋利，保存状况非常好，约50多公分长。,至于青铜兵器经过2000多年依然闪闪发光的原因，是由于,白膏泥,的保护作用。,白膏泥,学名叫作微晶高岭土, 潮湿时呈青灰色，故称青膏泥，晒干后呈白色或青白色，故又称白膏泥。,其粘性大，分子紧密，有很强的防腐作用。长沙楚墓多用白膏泥，少数秦墓，山东，河南的部分墓葬也使用白膏泥。,8,铁器时代：,是人类发展史中一个极为重要的时代。人们最早知道的铁是陨石中的铁。在很久以前，人们就曾用这种天然铁制作过刀刃和饰物，这是人类使用铁的最早情况。,地球上的天然铁是少见的，所以铁的冶炼和铁器的制造经历了一个很长的时期。当人们在冶炼青铜的基础上逐渐掌握了冶炼铁的技术之后，铁器时代就到来了。,1.1 发展历程,9,工业文明：,是指工业社会文明，它贯穿着劳动方式最优化、劳动分工精细化、劳动节奏同步化、劳动组织集中化、生产规模化和经济集权化等六大基本原则。,1.1 发展历程,手机狂躁症,roadrage,10,1.1 发展历程,迄今为止，工业文明是最富活力和创造性的文明。工业文明的优势是规模化生产使人类商品迅速富有，缺陷是对地球资源的消耗与污染也急剧加速。,11,非金属矿深加工及非金属矿物材料产业已被视为21世纪的朝阳工业之一。,随着人类环保意识的增强和对生态建设的日渐重视，许多非金属矿具有原料易得、单位处理成本低、本身不产生二次污染等优点，可以用来制备新型环境保护材料。,目前在一些发达的国家里非金属矿物的开发速度与产值已超过金属资源。人类将重返到大量利用非金属矿物等非金属材料的时代中去，从而进入一个新的“石器时代”。,1.1 发展历程,岩棉保温板,模塑聚苯乙烯泡沫塑料(EPS),12,1.2 定义及特征,矿石,：在当前技术经济条件下，人们能够将含有有用矿物的岩石中的某些组分富集利用，这类岩石称为“矿石”。,地壳由岩石构成，岩石是在各种不同的地质作用下，由一种或多种矿物组成的矿物的集合体。,能被人类利用的矿物称为有用矿物。,脉石：,矿石中除含有有用矿物外，还含有大量暂时“无用或无价”的其他矿物，统称为“脉石”，煤炭行业称为“矸石”。,原矿：,矿山采出的原始产品称为原矿，其中含有大量的脉石。,13,选矿：,把矿石加以破碎，使有用矿物与脉石矿物彼此解离开，然后，将有用矿物富集起来，供冶金、化工、建材工业用作原料、材料及燃料，并抛弃其中绝大部分脉石和有害杂质的工艺过程，称为“选矿”,精矿：,选出、富集了有用矿物的产品供冶金、化工原料时称“精矿”。,尾矿：,分出的可暂时抛弃的无价部分称为“尾矿”。,品位：,原矿与产品中有用矿物的含量称为矿石的“品位”。,虽然有用矿物已富集在精矿中，但由于选矿过程不可能将有用矿物与脉石完全绝对分开，所以精矿中也混有脉石，而尾矿也必然会含有少量的有用矿物。,1.2 定义及特征,14,矿产资源一般可分为三大类：,1、金属矿产用于提炼金属；,2、燃料矿产用于提供能源；,3、非金属矿产是指除了金属矿产和燃料矿产以外的所有的矿产，其化学组成或技术物理性能可为工业利用。,1.2 定义及特征,15,16,玉门老君庙是中国石油的发祥地，1939年8月11日，中国第一口油井在此出油，中国从此甩掉了“无油国”的帽子。解放前的10年间，玉门石油产量占当时全国总产量的90%以上，奠定了中国石油工业的基础。图为位于河谷中的玉门油田老君庙油矿。,17,山崖底部密集分布的洞穴是石油工人最早居住的地方，许多工人的儿女都是在洞里出生。新中国成立后，玉门为陕北、大庆等新油田输送了以铁人王进喜为代表的20余万名技术人才和石油工人，玉门油田因此被誉为“中国石油工业的摇篮”。建国以来，玉门已为国家上缴税收上百亿元。图为玉门油田老君庙油矿一架还在生产的抽油机。,18,1955年，为保障生产，玉门油田所在地被设立为玉门市，县政府也搬迁至此。到20世纪80年代，石油产业鼎盛时期，这座典型的石油资源型城市的总面积扩张到1.35万平方公里，人口一度达13万余人。图为废弃的邮政大楼。,19,经过多年开采，玉门石油产量逐年下滑，由1959年最高的140.62万吨降至1998年的38万吨，而前产量也仅维持在70万吨。这个国内最早开发的油田，如今成了小规模及发展困难石油企业的聚集地。图为废弃房屋中的老君庙开采纪念牌匾。,20,和所有资源型城市一样，资源枯竭的玉门面临着发展瓶颈。21世纪初，玉门市和玉门油田作出迁移决定，大片工厂倒闭，厂房住宅被夷为平地，因油而聚的人们开始迁走。图为一处被砖石封死的办公楼。,21,2001年，全玉门市66个居委会缩减成33个，2004年又缩减至12个。2009年统计表明，留守老市区的人口已不超过3万人。,22,2004年，玉门油田生活基地搬迁，市区只设生产作业区，生活区则迁至百公里外的新油田。这次动迁导致7000多名工人失业、2.5万名油田工人外迁。2006年，玉门市市政府搬迁至市区向西70多公里的玉门镇新区。自此，数千名职工开始了每周百公里的往返于生产、生活区之间的迁徙生活。至此，老城、新城和油田新基地将昔日的油城玉门一分为三。图为石油管理局接送员工的蓝色大巴。,23,目前，除石油工人，尚有部分居民聚居在北坪、三台两个安置区的廉租房里，大多是无力外迁的老人、残疾人、低保户和下岗工人，他们每月领取几十至上百元的低保费，面对新市区1000元/平米的房子望而却步。截至2008年，包括新市区在内的玉门全市下岗失业者已达3.5万人，其中有1.4万人属于生活特困人群。,24,与此同时，遗留在老城的道路、供暖、供水等基础设施也逐渐老化，大部分无法正常使用。图为玉门迎宾馆旁的一家医院急诊室，大门已经被封死。,25,10月1日，玉门市南坪的废弃加油站。,26,1998年以来，当年地方政府围绕油田而兴办的化工、轻工机械等工业企业大部分已破产倒闭，而糖酒、五金、饮食服装等行业也冷清萧条，原市属工商业体系全面崩溃。据统计，1996年全市有市属企业90家，2000年仅有8户勉强维持。,27,10月1日，位于玉门老城区解放路上的当地唯一一座红绿灯岗亭，由于人流量锐减也已经停用许久。,28,10月1日，空空荡荡的玉门市汽车站。,29,面对石油产业的衰败，风能资源蕴藏量丰富的玉门开始不遗余力发展风电。2009年一年，玉门的风电装机容量就超过了此前12年的总和。而风电企业的普遍微利经营，以及西北电网建设升级的严重滞后，也引发了“油城已逝，风城何在”的质疑。图为玉门市区旁的戈壁滩上，野生动物在此很活跃。,30,祁连山脚下通往玉门市的公路也不如以前繁忙了。目前，玉门已被列入全国44个资源枯竭型城市的名单，由中央财政给予资金支持城市进行财力性转移。玉门的废城之痛，映射出中国众多资源性城市的转型困局。,31,现代非金属矿物材料具有以下主要特征：,1、原料或主要组分为非金属矿或经选矿或初加工的非金属矿物。,2、一般来说，与同样用非金属矿为原料生产的硅酸盐材料（水泥、玻璃、陶瓷等）以及无机化工产品（如氧化铝、硫化钡等）不同，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。,1.2 定义及特征,非金属矿物材料：,一般认为，非金属矿物材料指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。,32,碳酸盐矿物,硅酸盐矿物,硫酸盐矿物,碳质非金属矿物,其他非金属矿物,天然复合非金属矿物,1.3 非金属矿分类,1、按矿物原料的化学成分和结构分类,非金属矿物各论,33,方解石,孔雀石,白云石,菱镁矿,蓝铜矿,菱锌矿,碳酸盐矿物,34,重晶石,天青石,纤维石膏,胆矾,硫酸盐矿物,35,蓝晶石,红柱石,橄榄石,黄晶(黄玉),石榴子石,硅酸盐岛状,36,海蓝宝石,红绿柱石,祖母绿,堇青石,Mg,2,Al,3,AlSi,5,O,18,绿柱石Be,3,Al,2,Si,6,O,18,金绿柱石,硅酸盐组群状,37,透辉石,角闪石,角闪石,石棉,硅灰石,透闪石,阳起石,硅线石,凹凸棒石,硅酸盐链状,38,高岭石,滑石,叶腊石,白云母,地开石及珍珠陶石,蛇纹石,蛭石,埃洛石,硅酸盐层状,39,钙长石,培长石,拉长石,硅酸盐架状,石英族,40,摩擦材料,离合器摩擦面片,刹车片,飞机摩擦片,1.3 非金属矿分类,2、按材料功能分类,41,填料与颜料,增量、增强、赋予功能,电气石,1.3 非金属矿分类,42,1.3 非金属矿分类,石棉垫片,石棉盘根,柔性石墨环,石墨填料,密封材料,43,1.3 非金属矿分类,保温隔热材料,岩棉夹芯板,矿渣棉卷材,硅酸铝耐火纤维,石棉保温板,水泥膨胀珍珠岩保温板,蛭石防火板,无石棉微孔硅酸钙,44,1.3 非金属矿分类,石墨电极,石墨电刷,云母纸,云母带,隔膜石棉布,绝缘石棉橡胶板,电功能材料,45,1.3 非金属矿分类,硅藻土助滤剂,硅藻土催化剂载体,酸化膨润土,膨润土防水毯,沸石,电气石,吸附、催化与环保材料,46,1.3 非金属矿分类,纸面石膏板,纤维石膏板,石膏天花板,石膏砌块,汉白玉,花岗岩,大理石,合成石,建筑装饰材料,47,1.4非金属矿的主要研究内容,（1）非金属矿物材料物理化学,包括非金属矿物材料及其原料的物理性质、化学性质、热力学性质，材料加工或制备过程的物理化学原理等,（2）非金属矿物材料的结构和性能,包括非金属矿物材料的物相、微观结构、孔结构、颗粒大小和形状、比表面积以及材料的热、电、磁、声、力、化学、流变等性能；材料的结构与性能的关系；材料的结构与性能的表征等。,（3）非金属矿物材料加工工艺与设备,包括非金属矿物材料的加工与设备，原料配方、原料性质以及工艺条件对非金属矿物材料结构和性能的影响；非金属矿物材料制备过程的自动控制等。,48,1.4非金属矿的主要研究内容,（4）非金属矿物材料的应用,虽然非金属矿物材料是一种传统基础材料，但在现代高新技术领域也是一种新型的功能材料，其应用性能和应用技术有待于通过研究去挖掘、完善和提高。,（5）非金属矿物材料的环境服役行为和失效机理,包括材料损伤、失效的诊断和检测的原理和方法；,材料损伤、失效过程的环境影响因素，各个因素作用的规律，失效过程的动力学；,控制材料损伤、失效演化过程的物化原理及使用技术；,材料使用可靠性、寿命预测和评价的方法和技术；,材料实际服役环境的实际模拟技术方法等。,49,1.5非金属矿物材料的发展趋势,（1）追求较高技术含量、较低环境负荷和更适应社会的发展需要。,未来的非金属矿物材料加工技术的发展趋势将是交叉、融合相关应用领域的不同学科，通过深加工或精加工技术，发掘和提升非金属矿物材料或者深加工产品的功能和应用性能。,（2）功能化是未来非金属矿物材料的主要发展趋势。,为了满足相应领域对功能化非金属矿物材料的要求，将重点发展与航空航天、海洋开发、生物化工、电子信息、节能节水、环境保护、生态建设、新型建材、新能源开发、特种涂料、快速交通工具等相关的功能性非金属矿物材料。,50,第一章 绪论,1.1 发展历程,1.2 定义及特征,1.3 非金属矿分类,1.4 非金属矿物材料的主要研究内容,1.5,非金属矿物材料的发展趋势,51,