第1章绪论
材料是人类社会发展的物质基础，传统上按材料组成和结构特征主要分为无机非金属材料、金属材料和高分子材料。随着人类社会的发展和科学技术的进步，对材料的需求向绿色环保、功能化发展。利用天然地球矿产资源，开发拓展资源丰富、低能耗、功能化的环境友好型材料是未来材料发展的趋势，因此以自然资源为原料的矿物材料的研究和应用应运而生。矿物材料种类繁多，要想利用好矿物材料，关键是掌握矿物材料的分类、物理化学性质和性能。
随着高技术与新材料产业发展，传统产业结构调整和优化升级，健康环保、节能与新能源等产业兴起，促进了矿物学研究的发展。同时全球高新技术产业的快速发展、传统产业的技术进步以及建设生态与环境友好型社会的目标将给矿物材料学科的发展带来前所未有的发展机遇。
矿物材料的主要研究内容包括矿物材料物理化学、结构与性能、加工和应用等[1]。物理化学涉及矿物材料及其原料的物理化学性质及加工或制备过程的物理化学原理。结构主要涉及矿物材料的物相组成、晶体结构、微观形貌结构、比表面积等；性能主要研究矿物材料的化学性能、力学性能、热学性能、电学性能、磁学性能、声学性能等，以及矿物材料结构与性能的表征技术和方法等。矿物材料加工涉及加工工艺和装备、原材料配方、原材料性质及加工工艺对矿物材料结构和性能的影响，以及矿物材料制备过程的智能化。矿物材料应用涉及矿物材料应用性能、配方、相关工艺与设备，以及评价技术、产品技术标准、检测表征方法与仪器设备等。本书主要围绕矿物材料的性能与表征方法进行介绍。
1.1 矿物材料与分类
矿物材料(mineral material)是以天然矿物或岩石为主要原料，经加工、改造获得的功能材料，是从材料科学与应用角度研究天然矿物的结构、物理化学性质、功能及应用性能。通过加工、改造优化矿物的结构、理化特性与功能，提升其应用价值，以满足应用领域技术进步和产业发展的需求，并创新开拓应用领域，引领新的市场需求，科学合理和高值高效地开发利用矿产资源。
根据《2016—2017矿物材料学科发展报告》 [2]，矿物材料按矿物原料特性可
2 矿物材料性能与测试
分为碳质矿物材料、黏土矿物材料、多孔矿物材料、纤维矿物材料、钙质矿物材料、镁质矿物材料、硅质矿物材料、云母矿物材料等；按功能可分为填料和颜料、力学功能材料、热功能材料、电磁功能材料、光学材料、吸波与屏蔽材料、催化剂载体、吸附材料、环保材料、生态与健康材料、流变材料、黏结材料、装饰材料、生物(药用)功能材料等。
结合材料分类方法基础，从矿物材料的成分、结构、性能特点和实际应用情况，对矿物材料进行综合分类，见图 1-1。
图 1-1 矿物材料分类
随着矿物材料与应用科学研究的进一步深化，矿物材料产业的进一步发展，矿物材料的分类将更加科学和完善[3]。
1.2 矿物材料的特性
性能是材料所具有的属性和功能，同时也是一种参量，用于表征材料在给定的外界条件下的行为，材料的性能包括使用性能和工艺性能两方面。
矿物材料性能是研究表征、揭示和诠释矿物材料基本性质与性能、结构、形成机制之间关系，是矿物材料研制和开发的基础。矿物的物理化学特性决定了它的用途，如沸石类和硅藻土矿物材料，呈现多孔结构，具有分子筛的作用，在净化废水、废气和环保上有着广泛的应用前景。现代测试技术的发展，使人们对矿物吸附、交换、助熔、增韧、补强以及光、电、磁、声、核、表面、界面等特性，及其在各种物理和化学作用下变化的研究变得更为直接和富有成效。一些具有吸附、交换、催化、增强、生物相容性等功能的矿物材料，特别是具有感知、响应、预警等信息功能的矿物材料(如湿敏、热敏、压敏、光敏、隐身、抗菌、红外辐射、光电转换等功能)将会受到高度重视和研发应用。在建筑领域，新世纪的建材向更加舒适、安全、节能、保健等多功能的“生态建材”方向发展，新型建材开发中，矿物材料必将扮演十分重要的角色。
矿物材料的矿物相组成、结构与成分的表征技术方法主要包括： X射线分析、红外吸收光谱分析、电子显微分析、热分析等技术。矿物材料的性能测试及研究方法主要有[4，5]：黏土矿物的物理化学性质，如粒度测定、吸附量、比表面积及孔结构、吸蓝量和脱色力等吸附性能及分散性能；离子交换性能测试与研究；水化性能与造浆性能测试与研究，如胶质价、膨润值及膨胀容、悬浮性、黏性和触变性、造浆率和失水率、饱和盐水吸附率；成型特性及热学性能，如可塑性和结合性、干燥收缩和干燥强度、烧成收缩和热载重、烧结温度和烧结范围、耐火度；其他性能测试与研究，如白度、pH、黏土的二苯胍(diphenylguanidine，DPG)吸着率等。宝玉石及石材性能测试与研究，如宝玉石的颜色、透明度、光泽、折射率及发光性、硬度，石材的力学性质、加工性能、抗风化性能、耐酸碱性能。节能与环保矿物材料性能测试与研究，如节能矿物材料的松密度和堆密度、热传导、热膨胀、耐热性能；环保矿物材料的吸附及离子交换性能、过滤性能。功能矿物材料的性能：电学性能测试与研究，如导电率、电阻率、介电常数、介电损耗、极化率、热释电系数、电滞回线等；磁学性能测试与研究，如磁化率、磁滞回线等；光学性能测试与研究，如反射系数、吸收系数、散射系数、透射系数、吸收和反射光谱等；生物性能测试与研究，如细胞毒性、刺激与致敏、溶血、止血、抗菌等。
矿物材料性能研究具有复杂多样性。从图 1-1分类可以看出，矿物材料的种类繁多，不同矿物材料性能不同，测试的技术手段和方法也不同，即使同种矿物材料用于不同的行业，性能测试方法手段也不同。故矿物材料性能与检测所涉及面很广，复杂多样。对同一种性能的检测有不同的检测原理和方法，如粒度，有显微镜法、重力沉降法、激光粒度测定法、库尔特计数粒度测定法、吸附法等。本书重点介绍矿物材料的吸附、热学、电学、磁学、光学、声学、力学及生物性能的基础知识及其测量方法，并简要概述了矿物材料的一些实际应用。
1.3 矿物材料的应用
自然界矿物资源丰富，种类繁多，目前已发现的非金属矿物有 1500多种，表明矿物材料的组成与结构多样，功能丰富，涉及应用领域广泛。矿物材料在应用中具有以下特点：矿物材料是由天然的非金属矿产资源组成，能够与天然环境很好地共生和协调，同时又能治理污染并恢复环境；在矿物材料的应用中，绝大部分矿物材料能循环利用，成本低，不产生二次污染；矿物材料应用范围广，不仅能处理“三废”，还能很好地处理随高科技发展而产生的新污染；矿物材料具有天然的自我净化功能，能解决一般性环保技术不能解决的非点源区域性污染等问题。因此，开展矿物材料的研究与开发有着非常重要的现实意义，能够产生重要的经济和绿色环保社会效益[6，7]。
依据矿物材料特性，可将其应用分为：①矿物材料功能特性应用。主要利用矿物材料的物理化学性质和微观结构，如石墨、膨润土、坡缕石、海泡石、硅藻土和金刚石等，或者是经加工后形成的物化性质，如蛭石、珍珠岩、陶粒页岩等。
②矿物材料非功能性应用。主要利用矿物材料的化学成分，提供或提取有用或有效的化学成分，如硫酸、磷酸等化工原料，或水泥、玻璃和陶瓷等其他无机非金属材料的原料。具体有三种类别：一是矿物材料提供有用化学成分，系化学成分的非提取性利用，主要用作合成制备各种无机非金属材料的原料，如石灰石(方解石)等水泥原料，石英、长石等玻璃原料，高岭土、瓷石(绢英岩)、长石等陶瓷原料；二是提取矿物材料的有用化学成分，系化学成分的提取性利用，如萤石、黄铁矿分别用作制备氢氟酸、硫酸的原料；三是提取金属元素，也是化学成分的提取性利用，如铝矾土不仅用作高铝耐火材料，还可以提炼金属铝。③矿物材料综合性应用。既可以利用矿物材料自身的物化性质(功能性应用)，又可以利用矿物材料的化学成分(非功能性应用)，例如，高岭土不仅用于造纸涂布功能填料，而且又是陶瓷等的主要原料。又如，石英不仅可用于加工各种电工级、电子级的硅微粉，也是玻璃、陶瓷等的主要原料，还可用于提炼金属硅的原料。
随着科学技术的发展，矿物材料的工业应用领域越来越广泛，矿物材料功能性应用和非功能性应用之间将会出现更多交叉，有的甚至与金属矿产之间的界限也变得模糊，加强矿物材料物理化学性能深层次的基础科学研究，有利于推动矿物材料更广阔的发展。
1.4 矿物材料的前景
目前，功能矿物材料在能源、环境、健康领域的研究依然是昀活跃的领域 [8]。电、光、声学等功能矿物材料虽实验室研究成果多，但产业化目前相对较少。结构矿物材料方面，矿物聚合材料研究的兴起引人注目，成果丰硕。纳米、生物矿物材料的种类繁多，是目前矿物材料的研究热点。矿物材料基础科学研究引起了研究者的重视。只有对矿物材料的物化性质进行了系统研究，才能发现和掌握矿物材料可利用的性能，只有对矿物材料的可应用性能的机理进行了研究，才能对矿物材料加以充分利用，提高矿物材料的开发应用水平。近年的研究表明，矿物材料性能开发与应用机理研究深入性需要加强，在深入掌握矿物成分 -结构-性能-加工工艺关系中，建立矿物材料性质、结构与性能数据库，开展和加强矿物材料的设计研究。此外，应更紧密地结合国家经济社会发展的需要和我国矿物资源的特点，加快我国矿物功能材料特别是与节能减排、新能源、低碳、循环经济等社会和经济发展重大问题紧密相关的矿物功能材料的研究步伐，进一步提高我国矿物材料的研究水平，促进矿物材料成果的推广应用与转化。
矿物材料未来发展趋势有：矿物材料的高纯化 —提高材料的纯度，以使矿物性能得以更好地发挥，如高纯石英粉、高纯石墨等；矿物材料的纳米化 —获得纳米效应以提高复合材料的强度、凝胶性能等，如纳米蒙脱石、纳米碳酸钙、高性能泥浆等；矿物材料的功能化 —获得光电、电磁、热电等效应，如锐钛矿型 TiO2抗菌材料、电气石晶体和粉体热电压电材料等；矿物材料的高技术化 —矿物材料需要从传统材料应用领域向高技术新材料领域渗透，如光纤材料、芯片包埋材料、屏蔽材料等。主要包括以下几个方面：
矿物材料的超微细化。超微细技术和超细矿物产品已广泛应用，目前重点是对微米级和纳米级超细材料性质的研究，例如对纳米材料的胶体性质、表面化学特性、表面电性及渗透性等方面的研究。现有超细技术的主要手段是机械粉碎、筛分，而未来的超细粉碎技术将向物理化学协同和波谱技术发展。
扩大双电层结构与矿物层间域离子交换。黏土胶粒在水介质中能形成双电层结构。双电层结构的形态对黏土矿物的胶体性质影响很大。通过扩大双电层结构技术，改善黏土矿物的胶粒扩散性能，提高其吸附性能。据此人们将人工改性膨润土加工成高性能的凝胶剂、黏结剂和增塑剂等。相反通过压缩双电层结构技术，破坏黏土的胶体性能形成聚沉，利用黏土胶兼做捕获剂，达到净化之目的。目前通过阳离子交换技术，生产具有不同功能的矿物新材料，如凝胶剂、增塑剂、乳化剂、快离子导体材料以及生物功能材料等，都已广泛应用于不同工业部门。
矿物材料改性。许多矿物表面和层间具有吸附或复合有机分子的特征，形成矿物有机复合体材料。用不同的有机分子包覆生产的许多不同功能的矿物有机复合材料已广泛应用于精细化工、生物功能材料、医药、电子、航空、原子能、环保、化工、轻工等领域。用橡胶或塑料的矿物填料经过偶联剂处理后，产品的抗折、抗拉和抗压等性能得到明显的改善，生产出性能优良的增塑剂材料。
微孔结构和微孔。矿物本身的微孔结构已得到广泛应用，如利用沸石、硅藻土生产的过滤剂、吸附剂、催化剂、充填剂、保温隔热材料等。目前，更重视用人工方法生产微孔材料，如人工改造的微孔黏土材料用于脱色剂、染色剂、吸附剂、净化剂、生物材料、医药、除臭剂、干燥剂、催化剂、过滤剂以及保温材料等领域。矿物材料的脱色和染色。矿物脱色技术已得到广泛应用，如膨润土制成活性白土后作为脱色剂用于食用油和矿物油类的脱色。随着染色技术的发展，研究者利用染色技术研制了大量的新材料，
目录
丛书序
前言
第1章 绪论 1
1.1 矿物材料与分类 1
1.2 矿物材料的特性 2
1.3 矿物材料的应用 3
1.4 矿物材料的前景 4
参考文献 6
第2章 矿物材料的吸附性能 8
2.1 矿物材料吸附性能概述 8
2.1.1 吸附现象与吸附性能 8
2.1.2 吸附理论模型 10
2.1.3 吸附的影响因素 11
2.1.4 吸附剂的分类 13
2.2 矿物材料吸附性能测试 16
2.2.1 矿物材料吸附性能的分析技术及方法 16
2.2.2 静态吸附平衡分析 18
2.2.3 吸附动力学分析 19
2.2.4 等温吸附模型分析 22
2.3 矿物材料吸附性能应用 24
2.3.1 水污染防治 25
2.3.2 大气污染治理 30
2.3.3 土壤污染修复 36
第3章 矿物材料的热学性能 42
3.1 矿物材料热学性能概述 42
3.1.1 热学性能的物理基础 42
3.1.2 材料的热容 44
3.1.3 材料的热膨胀 46
3.1.4 材料的热传导 50
3.1.5 材料的热稳定性 57
3.2 矿物材料热学性能测试 60
3.2.1 比热容检测 60
3.2.2 热膨胀系数检测 63
3.2.3 热导率检测 65
3.2.4 热稳定性测试 69
3.3 矿物材料热学性能应用 71
3.3.1 保温隔热 71
3.3.2 相变储能 74
3.3.3 防火阻燃 76
参考文献 78
第4章 矿物材料的电学性能 79
4.1 矿物材料电学性能概述 80
4.1.1 导电类型 80
4.1.2 电介质 82
4.1.3 压电与铁电性能 92
4.1.4 热释电性 103
4.2 矿物材料电学性能测试 105
4.2.1 电阻测试 105
4.2.2 介电性能测试 110
4.2.3 压电系数测试 115
4.2.4 电滞回线测试 117
4.2.5 热释电系数测试 119
4.3 矿物材料电学性能应用 123
4.3.1 电容材料 123
4.3.2 电磁屏蔽和吸收材料 124
4.3.3 电绝缘材料 124
4.3.4 光电材料 125
4.3.5 热释电材料 125
参考文献 126
第5章 矿物材料的磁性能 128
5.1 矿物材料磁性能概述 128
5.1.1 磁性概述 128
5.1.2 磁畴理论 130
5.1.3 磁性分类 131
5.1.4 磁化*线与磁滞回线 136
5.2 矿物材料磁性能测试 137
5.2.1 巨磁电阻分析 137
5.2.2 穆斯堡尔谱分析 147
5.2.3 振动样品磁强计 150
5.3 矿物材料磁性能应用 151
5.3.1 磁性载体技术 151
5.3.2 磁固相萃取技术 155
5.3.3 磁分离技术 159
参考文献 164
第6章 矿物材料的光学性能 166
6.1 矿物材料光学性能概述 166
6.1.1 光通过介质的现象 166
6.1.2 透光性 173
6.1.3 界面反射与表面光泽 178
6.1.4 不透明性与半透明性 178
6.1.5 颜色 179
6.1.6 其他光学现象 183
6.2 矿物材料光学性能测试 190
6.2.1 透光率和雾度测定 190
6.2.2 矿物材料紫外可见漫反射光谱测定 192
6.2.3 消光系数检测 195
6.2.4 红外发射率检测 196
6.2.5 矿物拉曼光谱检测 197
6.2.6 矿物材料荧光光谱检测 199
6.2.7 矿物解离分析 201
6.3 矿物材料光学性能应用 202
6.3.1 光学玻璃 202
6.3.2 光学晶体 203
6.3.3 矿物鉴定 204
参考文献 205
第7章 矿物材料的声学性能 207
7.1 矿物材料声学性能概述 207
7.1.1 声波的基本性质和物理量 207
7.1.2 声音的强度 209
7.1.3 典型声源及声辐射 212
7.1.4 声偶极辐射 213
7.1.5 隔音性 213
7.1.6 微波吸收性 217
7.2 矿物材料声学性能测试 220
7.2.1 材料中声波的激发和接收 221
7.2.2 材料声速的测量方法 224
7.2.3 材料的声衰减及测试方法 226
7.3 矿物材料声学性能应用 231
7.3.1 吸声 231
7.3.2 降噪 232
第8章 矿物材料的力学性能 234
8.1 矿物材料力学性能概述 234
8.1.1 矿物材料弹性与弹性模量 234
8.1.2 矿物材料脆性与塑性 237
8.1.3 矿物材料强度与硬度 238
8.1.4 矿物材料断裂韧性与挠性 248
8.1.5 矿物材料其他力学性能 250
8.2 矿物材料力学性能测试 254
8.2.1 拉伸性能测试 254
8.2.2 强度测试方法 261
8.2.3 硬度测试方法 264
8.2.4 磨损试验与耐磨性评定方法 269
8.3 矿物材料力学性能应用 271
8.3.1 摩擦矿物材料 271
8.3.2 多功能矿物填料 274
参考文献 280
第9章 矿物材料的生物性能 282
9.1 矿物材料生物性能概述 282
9.2 矿物材料生物性能测试 284
9.2.1 细胞毒性测试 284
9.2.2 刺激与致敏测试 285
9.2.3 血液相容性测试 287
9.2.4 抗菌测试 290
9.3 矿物材料生物特性应用 291
9.3.1 药物输送 291
9.3.2 抗菌杀菌 300
9.3.3 止血愈合 306
9.3.4 多功能复合医用材料 310
参考文献 314
