黑滑石的矿物学特征及加工与应用研究进展

近年来我国黑滑石矿床探明储量剧增,应用研究广泛。为满足经济建设发展和人民日益增长的需要,近年来,我国大力发展黑滑石等黏土矿物。在经济战略发展的重要时期,滑石是我国的战略性非金属矿物,为我国矿物功能材料发展的重大突破口,满足未来国家重大战略和发展需求。黑滑石具有特殊的2∶1型(T-O-T)含碳层状硅酸盐晶体结构、优异的理化特性、特殊较好的生物相容性,在新兴环保、能源和生物医学领域具有极大的应用潜力。目前黑滑石大多经过增白技术处理为白滑石后,应用于传统的陶瓷行业和基础填料中,研究方向主要为高效增白和超微细加工技术。然而,将黑滑石煅烧成为白滑石应用于传统行业,严重浪费了黑滑石的含碳层状硅酸盐晶体结构和理化特性。随着科学技术的发展,矿物学、化学、材料学和生物学等多学科的交叉融合,除了研究除碳增白在陶瓷和填料等传统行业中的应用外,利用黑滑石的理化性质,对其进行插层、剥片、酸浸等结构改性,以及表面改性处理、高技术表征等方法对矿物结构和性质进行剖析,在环保水处理、高新材料和生物医药材料等领域不断尝试,并取得了丰硕的成果。本文综述了黑滑石战略性应用研究进展,从黑滑石的矿物学特征和材料化加工技术研究现状等方面对当前黑滑石制备基础原材料、环保材料和高新材料的优越性和挑战进行了分析。介绍了常见的黑滑石基复合材料的进展,如在陶瓷行业和填料行业的应用,阐述了在节能环保、新能源和生物医药方面的优越性。另外,还介绍了未来黑滑石基复合材料的主要研究方向。本文可为废水吸附剂、新能源碳材料、隐身材料和非金属为载体的抗菌材料等战略性应用方向研究新型高效材料提供参考。

石英陶瓷的制备技术及应用进展

石英陶瓷具有热膨胀系数小、热稳定好、介电常数低等优良特性,是诸多结构材料和功能材料领域的关键产品。基于石英陶瓷材料的性能优势及制备工艺,详细分析了高纯石英粉体的制备技术、石英陶瓷制备过程中的关键技术,归纳了提升石英陶瓷各项性能的关键因素及控制原理,分析了石英陶瓷在航空航天、浮法玻璃、电子、冶金、太阳能多晶硅等国家战略需求领域的应用现状,并对石英陶瓷未来的发展方向和解决方案进行了展望。

矿物基摩擦材料的研究进展

摩擦材料是一种采用有机体/无机物压制而成的复合材料,广泛应用于运动车辆与工程机械中,发挥制动和传动功能,是工作中的核心部件。摩擦材料在汽车工业中应用最广,其性能优劣对汽车的安全性、稳定性具有十分重要的影响。矿物材料具有无毒、耐热性及化学稳定性好、无污染等优异的物理化学性质,且部分材料具有天然的纤维状、层状等特殊形貌结构,对摩擦材料的性能具有显著影响,是当前摩擦科学和工程领域关注的重点对象。然而,矿物材料的种类众多,成分和结构大相径庭,物化性能各有差异,导致矿物材料在摩擦材料中发挥作用的方式和机理也不尽相同。基于此,本文从矿物增强摩擦材料、矿物基摩擦材料的性能调控两方面,对矿物材料的成分、结构和物理化学性质及其对摩擦材料制品性能和使用效能的影响进行了综述。进一步从纤维状矿物增强调控、颗粒状矿物增摩调控和层状矿物减摩调控三个方面重点阐述了矿物调控摩擦材料的机理。开发新型矿物材料,加快表面改性及有效除杂等新技术的研发,加强矿物材料在摩擦材料中的作用机理研究,可以作为未来矿物基摩擦材料进行工业应用和理论研究的发展方向。

特种氢氧化钙的制备技术与应用进展

综述了氢氧化钙的结构、性质及其重要作用,重点论述了纳米粒级、高比表面积这2种特种氢氧化钙制备方法及其优缺点,讨论了其在众多领域中的优越应用性能,最后提出相关建议和展望。

富锂矿物的锂提取与战略性应用

随着全球科学技术的发展和能源经济的兴起,锂资源的开发和利用受到广泛关注。本文首先介绍锂资源分布,锂矿物的物化特性,然后重点综述了锂及锂化合物从富锂矿物中的提取技术,以及富锂矿物在锂离子电池材料和高性能复合材料方面的应用。总体而言,我国锂资源丰富,但利用率不高,不能满足国内需求,大部分的锂资源依赖于进口,亟需提高富锂矿物资源开采、提取以及综合利用水平,加快开发富锂矿物在新材料、新能源等方面的应用。

黏土矿物基纳米复合阻燃材料的研究进展

聚合物纳米复合材料因具有质轻、耐腐蚀、电绝缘、易于加工等优异的性能而被广泛应用于国民生产生活的各个领域。然而,大多数聚合物材料都极易燃烧,这严重限制了其在诸多领域中的实际应用。因此,增强聚合物的阻燃性能具有重大意义。近年来,随着人们的环保和健康意识日益增强,以环境友好的方法制备高强度、高韧性、高抗氧化性和良好阻燃性的聚合物复合材料的研究受到越来越多国内外研究者的青睐,高效绿色阻燃剂将具有巨大的市场潜力。纳米黏土是天然、无毒、低成本、可生物降解且具有生物相容性的材料,常被用于合成各种聚合物纳米复合材料,由于其较大的比表面积、阻隔性和热稳定性,可有效改善聚合物材料的阻燃性和力学性能。本文总结了近几年天然黏土矿物增强聚合物纳米复合材料阻燃性和热稳定性的相关研究。根据不同来源,将聚合物材料分为天然聚合物材料和合成聚合物材料,分别探讨了添加黏土矿物对各种聚合物纳米复合材料阻燃性能的增强效果,并归纳了天然黏土矿物在聚合物纳米复合材料中的阻燃机理。与普通聚合物复合材料相比,天然黏土由于其独特的结构(纤维状、管状及层状),可以捕获易燃挥发物、阻隔热和质的传递。此外,天然黏土可以在聚合物表面形成强大的阻隔层,以延缓热和质的传输过程。最后,指出了目前纳米复合材料在阻燃研究中存在的问题。对当前文献的深入调查为实现聚合物/黏土纳米复合材料的高效利用提供有用的信息,并为设计新型高性能聚合物/黏土纳米复合材料提供理论指导。

石英矿物资源的提纯及在战略性新兴产业中的应用技术分析

随着全球科学技术的发展以及高新技术领域应用需求的提升,新兴产业的发展和开发得到了特别地关注,其中石英矿物资源的开发和应用也受到了各国极大的重视。针对石英矿物资源的开发和应用现状和遇到的技术问题,概述了我国石英的类型、储量和消费结构,阐述了石英的杂质类型和石英的提纯与合成技术,详细分析高纯石英在半导体行业、光纤行业、光伏产业、光学领域、航空航天等战略性新兴产业中的应用现状和技术难点,阐明杂质对于这些领域的产品性能的关键影响作用与控制方法。

磷石膏材料化综合利用研究进展

磷石膏是湿法磷酸浸出工艺中产生的固体废弃物,其主要成分为二水硫酸钙,具有产量大、组分复杂等特征。目前,国内磷石膏存量高达6亿t,其大量堆放造成土地资源浪费、江河水质劣化及大气污染等生态环境问题。然而,我国磷石膏综合利用率较低,其主要用于生产附加值较低的建筑材料,对此,加快推进磷石膏新技术、新产品的研发具有重要意义。本文通过分析磷石膏综合利用研究现状,总结了磷石膏在建筑、稀土提取、农业、化工以及生物医疗行业领域的研究进展,提出了现阶段磷石膏综合利用研究及产业化应用中的问题,展望了未来磷石膏高值化加工基础理论及技术研究的发展趋势,以期为磷石膏大宗化、高值化利用研究基础及产业化应用提供参考。

战略性矿产在高性能摩擦材料中的研究进展

摩擦材料是一种应用在交通运输和动力机械上,通过摩擦作用来完成制动和传动的部件材料,主要由增强材料、粘合剂和填料构成。随着汽车工业和交通技术的发展和革新,庞大的市场需求和潜在的经济价值不可估量,然而传统摩擦材料的性能逐渐不能满足用户要求,因此开发设计拥有耐磨、耐高温和优异摩擦稳定性等诸多优点的高性能摩擦材料迫在眉睫。摩擦材料功能的正常运行往往需要性能的多维组合,这对材料设计中原料的选择带来了挑战。而战略性矿产的种类丰富多样,具有优异的力学、热学和摩擦学等性能,正是高性能摩擦材料组分的合适之选,也逐渐成为各国学者研究的热点,被认为是极具前景的增强材料和填料。本文简要介绍了近年来多种战略性矿产在高性能摩擦材料领域的应用和发展,系统归纳了战略性矿产在力学、热学、润滑、降噪和摩擦学方面的最新研究进展,配合相关理论模型分析了各种调控背后的机理,最后提出了当前研究存在的不足和问题,并展望了未来摩擦材料配方研究的发展趋势和工作重点。

一步法高效制备纳米Si/C复合材料及其在高性能锂离子电池中的应用

开发了一种一步高效合成纳米硅/碳复合材料的新方法,该方法通过球磨SiCl_(4)、Mg_(2)Si和商业碳片,使SiCl4自下而上还原,原位形成的纳米硅均匀生长在碳片上,高效制备了纳米硅与碳片均匀复合物(Nano-Si/C).该Nano-Si/C用作锂离子电池负极材料展现出高的可逆储锂容量(2450 mA·h/g)、良好的倍率性能及优异的长循环稳定性,在2 A/g电流密度下,经过600次循环后,容量仍然稳定在1400 mA·h/g.其突出的电化学性能主要归因于小尺寸纳米硅与碳片均匀复合的纳米结构,在循环嵌锂/脱锂过程中仍能保持结构和电化学性质的稳定性.

碳纳米纤维调控粉煤灰基地质聚合物力学/传感性能优化

采用物理混合法向粉煤灰基地质聚合物中加入碳纳米纤维(CNF),制备不同CNF质量分数(0~2.0%)的粉煤灰基地质聚合物复合材料。通过对粉煤灰基地质聚合物复合材料微结构、力学性能、电学性能及传感性能进行研究,揭示CNF调控粉煤灰基地质聚合物力学与传感性能的具体演变规律,并对CNF质量分数为0.5%的复合材料进行循环稳定性实验及方差稳定性量化分析。研究结果表明:当CNF添加量增加时,粉煤灰基地质聚合物的弹性模量和抗弯强度皆显著提升;当CNF质量分数为0.5%和2.0%时,复合材料的弹性模量分别提升到1.35 MPa和0.23 MPa,抗弯强度分别提升到3.9 MPa和0.32 MPa;此外,随CNF质量分数增加,复合材料的电阻率随之降低,当CNF质量分数达到2.0%时,复合材料的电阻率降低到46Ω·m,CNF的添加有利于粉煤灰基地质聚合物导电能力提升;在单向加压实验条件下,当CNF质量分数为0.5%、1.0%和2.0%时,复合材料的传感灵敏度分别为71.56、57.33与25.58,随着CNF的加入量不断增大,粉煤灰基地质聚合物的传感灵敏度先增后减,通过实验判断CNF质量分数阈值可能为0~0.5%。在CNF质量分数为0.5%的条件下,复合材料传感性能相对比较稳定。

稻壳基活性炭电极材料制备及其电化学性能研究

以稻壳为原料,氢氧化钠为活化剂,制备活性炭。进一步将该活性炭作为电极材料,以氢氧化钾溶液为电解液,组装超级电容器。采用X射线衍射(XRD)、氮气吸附脱附(BET)、扫描电镜(SEM)等手段,分析了不同活化温度对活性炭的比表面积及孔结构的影响,并利用恒流充放电、循环伏安等方法研究了电容器的电化学性能。结果表明:800℃活化下活性炭的比表面积最佳,为2760 m^2/g,孔结构发达。此条件下,在6 mol/L的KOH电解液中,活性炭电容器比电容达267.2 F/g,等效内阻仅2.2Ω,倍率性能好。经过5000次循环后,其电容保持率仍有83.7%,表明该稻壳基活性炭电极具有优异的充放电可逆性和循环稳定性。

多学科交叉视角下的创新人才培养新模式探索与实践--以中南大学无机非金属材料工程专业为例

开发和利用已有无机非金属材料工程和相关专业的教育资源和办学基础,开展基于创新人才培养的无机非金属材料工程专业教学体系总体优化改革与实践。通过理顺课程体系,更新教学内容,突出办学特色,以提升学生创新素质和强化实践能力为目标,实现材料与矿业、生物等的多学科交叉融合,营造无机非金属材料工程专业创新人才培养的良好环境。通过实施层次递进和模块选择的课程体系,编写出版相适应的全新系列教材,建设完善开放式实验实践教学大平台,形成老中青相结合、高水平、高素质的教学团队,构建具有多学科交叉特色的面向21世纪无机非金属材料工程专业教学新体系和创新人才培养新模式。

基于OBE理念的“无机材料科学基础”课程教学设计与课堂文化建设

成果导向教育(Outcome-Based Education,OBE)作为一种"以学生为中心"的先进教育理念,已被欧美许多国家高等教育工程专业所推崇。文章结合"无机材料科学基础"课程,在深入分析OBE理念及其在"无机材料科学基础"课程中实施的可行性基础上,系统论述了基于OBE理念进行的课程教学设计和教学组织,并通过课堂文化建设证实了成果导向教育是促进教学模式向"以学生为主体"转变和提升学生多方面能力的有效手段,对OBE理念在同类课程上的具体运用具有一定的借鉴和指导意义。

ZnS/ZnO/rGO复合材料的制备及其光催化性能研究

以醋酸锌、硫化钠为原料,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为改性剂,采用一步合成法制备了β-ZnS,再通过焙烧制备ZnS/ZnO异质结材料,然后加入一定量氧化石墨烯(GO)利用水热法成功制备了ZnS/ZnO/rGO复合材料。结果表明,在水热时间16 h、水热温度140℃、GO∶(ZnS/ZnO)质量比20%的条件下,所制备的ZnS/ZnO/rGO复合材料在可见光光照120 min内对亚甲基蓝的降解率可达80.3%。

铁尾矿制备新型建筑材料的国内外进展

铁尾矿是铁矿石经加工及利用过程中产生的有价元素含量较低的部分,是矿山固体废弃物的重要组成之一,也是一种宝贵的二次资源。大量不可回收的铁尾矿主要堆存在尾矿库中,既浪费土地资源,又存在安全隐患和环境危害。高效加工利用铁尾矿是节能环保、提高经济效益的有效途径。铁尾矿是一种精细、稳定、复杂的材料,主要由二氧化硅和氧化铁组成,与天然砂矿物成分十分接近,将铁尾矿应用于新型建筑材料领域是尾矿综合利用的重要发展方向。新型建筑材料是在传统建筑材料的基础上,性能得以提升、功能得以完善或增加的建筑材料,具有高强、轻质、节能和环境污染小的特点。国内外就铁尾矿在新型建筑材料方面的开发做了大量的研究,结果表明,铁尾矿中的化学组成通过校正原料的调整,可以成功地运用到各种建筑材料,如环保砖、建筑吸隔声材料、微晶玻璃、建筑陶瓷、多孔保温材料及涂料等。有研究表明,对铁尾矿添加煤矸石、粉煤灰等物质,可以弥补铁尾矿作为建筑制品原料的不足,制备的新型尾矿墙体材料具有高强度、耐盐碱腐蚀性;利用多种类型的铁尾矿均可制备出主晶相为辉石的微晶玻璃,其具有较好的耐酸碱性能、抗压强度和抗折强度;制备的保温隔热材料的力学性能和保温隔热性能较好,有研究表明中试实验的材料导热系数可达0.085 W/(m·K)。铁尾矿还可以应用到涂料领域,由于铁尾矿中含有一定量的氧化铁,而氧化铁在正常环境条件下具有较高的稳定性,广泛应用于涂料、塑料、纸张和陶瓷等领域。有研究使用铁尾矿作为建筑乳胶漆颜料用于生产可持续建筑涂料,也有利用铁尾矿中的氧化铁作为制备彩色陶瓷玻化砖的天然着色剂。就目前而言,铁尾矿新型建筑材料大多还难以形成规模,多处于实验室阶段,推广方面还需要进行大量的工作。另外,很多高附加值建材的研究仍处于起步阶段,还需要进行大量深入的理论和实验研究,究其原因,主要是:①不同产地及工艺条件下的铁尾矿性质差异较大,导致原料稳定性存在一定问题;②铁尾矿建材产品由于原料的复杂性,其生产工艺不具有普适性,加大了研究及生产成本,这在一定程度上影响了其规模化发展;③铁尾矿建筑材料仍属于受运距限制的产品,由于大多数矿山远离城区,因此其尾矿产品无法实现大规模的集约经营,在进一步降低成本、提高质量方面受到制约;④铁尾矿新型建材的产品推广和市场开发也是制约其发展的一个问题。本文综述了铁尾矿在新型建筑材料方面的研究进展,重点阐述了铁尾矿作为一类新型建筑材料资源的高值化利用现状,分析了铁尾矿在新型建筑材料行业发展中可能面临的问题并展望其发展前景,以期为铁尾矿在新型建筑材料领域的高值化利用提供参考。

碳化硅增强环氧树脂复合材料的制备及性能研究

为了提高环氧树脂的摩擦磨损性能,利用碳化硅颗粒填充改性制备了碳化硅/环氧树脂复合材料,探讨了碳化硅含量对于复合材料摩擦磨损性能的影响及磨损表面的磨损机理,分析复合材料的弯曲性能和动态力学性能,揭示了碳化硅的增强机理。结果表明高含量的微米碳化硅能够明显降低环氧树脂的摩擦系数,提高其耐磨性能:与纯环氧树脂相比,添加60wt%碳化硅的复合材料摩擦系数降低了21.44%,而添加40wt%碳化硅的复合材料,体积磨损率降低了83.49%。同时高碳化硅含量下复合材料的弯曲性能和动态力学性能有所增加。

负载脂肪酸基相变材料硅藻土的热性能研究

研究了负载脂肪酸基相变材料硅藻土的热性能,结果表明,采用真空浸渍法或溶液插层法可将硬脂酸、月桂酸和单硬脂酸甘油酯等成功负载于煅烧硅藻土上;脂肪酸及其衍生物等相变材料以适当配比组合使用时,负载效果优于纯脂肪酸负载体系。硬脂酸或单硬脂酸甘油酯与月桂酸比例为3∶7时,负载体系结构稳定,升温融化与降温凝固温度区间较窄,相变潜热值较大。

高岭土的功能化改性及其战略性应用

高岭土是一种天然的黏土矿物,具有典型的1:1层状硅酸盐晶体结构。首先介绍了高岭土资源背景、结构组成和物化特性,着重介绍了高岭土在节能环保、生物医药和新材料三个战略性新兴产业的研究现状。天然的层状结构、丰富的表面羟基、较大的比表面积以及良好的生物相容性为高岭土的功能化应用提供了多种选择。随着科学技术的发展和国家社会的进步,对高岭土的研究更加深入。未来高岭土将作为一种战略性非金属矿物,在更多的领域有更好的应用前景。

硬脂酸改性石榴石及增强环氧树脂复合材料研究

以柿竹园石榴石为原料,采用硬脂酸进行表面改性实验。研究了改性剂用量、改性时间、改性温度对改性效果的影响。采用活化度评价硬脂酸改性石榴石的效果,并用红外光谱表征硬脂酸和石榴石相互作用机理。将改性与未改性石榴石分别填充于环氧树脂中,测试其力学性能。结果表明最佳的改性工艺条件为:硬脂酸用量为2.5%、改性温度为70℃、改性时间为50 min。相同添加量下,改性石榴石/环氧树脂复合材料的弯曲、拉伸强度分别提高了25.0%、46.3%。