矿物的其他物理性质

1.矿物的密度和相对密度

矿物单位体积的质量称作矿物的密度（density），也称真密度，单位为g/cm3。密度值可依据晶胞体积、晶胞内所含原子种类及其数量计算得出。矿物的相对密度（relative density）是指矿物在空气中的质量与4℃时同体积水的质量之比，量纲为一。由于4℃时水的密度是1g/cm3，所以矿物相对密度与真密度数值相等。

实践中相对密度的测定常常忽略水在4℃时和室温下的差，其方法是：用极细线将待测矿物样品钓挂于天平钩上，称出其质量（W1），然后把悬着的样品放入盛满水的容量瓶，求得排出水的质量（W2）。相对密度D=W1/W2。

矿物的相对密度分为轻、中、重3个级别：

轻级 相对密度小于2.5。石墨（2.09～2.23）、石盐（2.1～2.2）和石膏（2.3）等属轻矿物。

中等 相对密度在2.5～4之间。绝大多数非金属矿物如石英（2.65）、萤石（3.18）和金刚石（3.52）等具中等密度。

重级 相对密度大于4。自然金属元素和多数硫化物类矿物如自然金（15.6～19.3）、黄铁矿（4.9～5.2）等属重矿物。

矿物的相对密度与其组成元素的相对原子质量、原子或离子的半径及结构的紧密程度有关。在等型结构的矿物中，一般来说，组成元素的相对原子质量越大而原子或离子半径越小，矿物的相对密度越大；但通常原子或离子的相对原子质量与半径正相关，矿物的相对密度变化趋势便依优势因素而异。在同质多象各变体间，配位数较高、质点排列紧密者，其相对密度较大。当矿物在较高温结晶时，形成配位数较低的晶体结构，其相对密度较小；而当矿物在较高压力下结晶时，形成配位数较高的晶格，结构堆积较为紧密，其相对密度较大。

矿物肉眼鉴定时，可用掂量比较的方法进行粗略的密度分级。

相对密度是矿物分选、鉴定的主要依据之一，它在地质作用判别和矿物标型找矿以及矿物材料开发应用方面均有重要意义。

2.矿物的磁性

矿物的磁性（magnetism）是指矿物在外磁场作用下被磁化而表现出被外磁场吸引、排斥或对外界产生磁场的性质。矿物磁性的大小以其单位体积的磁化强度与外磁场强度之比即磁化率来表示。

从本质上讲，矿物的磁性是由其所有原子或离子中核外电子的自旋磁矩和电子绕核旋转形成的电子轨道磁矩的总和所决定的。在外磁场作用下，如果所有小磁场全部定向排列，矿物获得较高的磁化率，表现出强的磁性；如果矿物内只有少数小磁场作定向排列，表明磁化率较低，显示弱磁性。强磁性包括铁磁性（ferromagnetism）和亚铁磁性（ferrimagnetism），弱磁性包括反铁磁性（antiferromagnetism）、顺磁性（paramagnetism）和抗磁性（亦称逆磁性、反磁性，diamagnetism）。其中，抗磁性矿物（自然银、方铅矿、金刚石、方解石、萤石等）的磁化方向与外磁场方向相反，在外磁场中略被排斥；其他矿物的磁化方向都与外磁场相同，在外磁场中被吸引，而铁磁性矿物（自然铁等）和亚铁磁性矿物（磁铁矿、磁黄铁矿等）在外磁场中既能被吸引，又能吸引铁质，合称为磁性矿物；反铁磁性矿物（自然铂、赤铁矿、方锰矿等）和顺磁性矿物（黑钨矿、普通辉石、普通角闪石、黑云母等）只能被大强度的外磁场如电磁铁所吸引，合称电磁性矿物。磁性和电磁性矿物都含有具不成对电子的过渡型离子，且不成对电子数与矿物磁性强度正相关；由惰性气体型离子和铜型离子组成的矿物都呈抗磁性。

矿物肉眼鉴定时，常用永久磁铁或磁化小刀与矿物相互作用，将矿物粗略地分为以下3级：

强磁性矿物（stronger magnetism mineral）较大颗粒或块体能被永久磁铁所吸引的矿物，如磁铁矿。

弱磁性矿物（weaker magnetism mineral）粉末才表现出能被永久磁铁所吸引的矿物，如铬铁矿。

无磁性矿物（non-magnetism mineral）粉末也不能被永久磁铁吸引的矿物，如黄铁矿。

磁性是矿物十分重要的物理性质参数，它不仅是许多矿物鉴定、分选以及磁法找矿的重要依据，还是古陆和岩石圈演化、交代蚀变作用和地球表层系统环境变化的重要依据。

3.矿物的电学性质

（1）导电性和介电性

矿物的导电性（electric conductivity）是表征矿物传导电流能力的性质，以电阻率表征。导电能力的强弱主要取决于化学键类型。一般地说，具有金属键的矿物或多或少会表现出导电性。一些自然元素矿物和金属硫化物矿物，如自然金、自然铜、石墨、辉铜矿、镍黄铁矿等，由于其结构中存在大量自由电子而成为电的良导体。

矿物的介电性（dielectricity）是指不导电或导电性极弱的矿物，在外电场作用下被极化而产生感应电荷的性质，常用介电常数（即电容率，dielectric constant）来表征。介电常数的大小与组成矿物的阴阳离子类型、半径、被极化的难易程度及内部结构有关。具离子键或共价键的非金属矿物，如多数氧化物、含氧盐和卤化物矿物（石英、石棉、白云母、石膏等）介电常数较大，属非导体（non conductor）或绝缘体（insulator）。

（2）热电性

有些矿物常温下呈弱导电性，温度升高时导电性增强，为半导体（semiconductor），如黄铁矿、闪锌矿等。对半导体矿物不均匀加热时，其冷、热端产生温差电动势（也称热电动势）。半导体矿物这种由热差而产生电势的性质称为热电性（thermoelectricity），以热电系数（thermoelectric coefficient）（a，单位μV/℃）表示。

矿物的热电性主要受其结构中杂质元素的种类、赋存状态和晶格缺陷（如空穴、自由电子等）等因素的影响，而后者则与其形成介质的物理化学条件密切相关，因此矿物热电性的研究能够揭示其成因信息，成为许多矿床规模大小、剥蚀程度和深部远景判别的重要依据。

（3）压电性和焦电性

当矿物受到定向压应力或张应力作用时，垂直于应力的两侧表面产生等量相反电荷，应力方向反转时，两侧表面的电荷易号，这种性质称为矿物的压电性（piezoelectricity）。具有压电性的矿物在定向压应力或张应力交替作用下将产生交变电场，这种现象称压电效应（piezoelectric effect）。若将这类矿物晶体置于交变电场中，它便发生机械伸缩，称电致伸缩（electrostriction），即反压电效应。

矿物的焦电性（pyroelectricity）是指某些电介质矿物晶体被加热或冷却时在特定结晶学方向的两端表面产生相反电荷的性质。

压电性和焦电性是晶体因应力作用或热胀冷缩，晶格发生变形，导致正、负电荷的中心偏离重合位置，引起晶体极化而荷电的现象。因此，压电性和焦电性都只见于无对称中心而有极轴（两极无对称关系）的极性介电质晶体中。焦电性晶体包括对称型为L1，L2，L3，L4，L6，P，L22P，L44P，L33P，L66P的10个晶类。除对称型为3L44L36L2的晶类外，其他所有无对称心的介电质晶体都具压电性（共20个晶类）。显然，具有焦电性的晶体必有压电性，反之则未必。例如，电气石（3 m点群）、异极矿和方硼石（均为mm2点群）既具焦电性，又具压电性；而石英（32点群）则仅有压电性。

压电性和焦电性除了可用于判断矿物晶体的真实对称外，压电性还广泛用于钟表、无线电、雷达和超声波探测技术，焦电性则广泛用于红外探测和热电摄像。

4.矿物的放射性等性质

除了上述的物理性质外，矿物的放射性、吸水性、可塑性、膨胀性、挥发性、导热性，以及嗅觉、味觉、触觉、熔点等性质，在矿物鉴定、核工业和材料工业上的利用有极其重要的意义，将在涉及的矿物中加以介绍。

思考题及习题

1）矿物呈色的机制是什么？试述矿物致色的四种主要机理。

2）何谓条痕？一般来说，如何鉴定矿物的条痕色？

3）影响矿物透明度的主要因素有哪些？

4）何谓矿物的光泽？光泽分几级？光泽分级的依据是什么？什么是特殊光泽？举出四种特殊光泽并予以表述。

5）从本质上讲，某些矿物能够发光的机理是什么？何谓磷光和荧光？试述热发光的机制及其意义。

6）什么是矿物的解理？它是如何分级的？哪些结晶学方向容易发育解理？如何正确区分解理面与晶面？解理和裂理有何不同？

7）什么叫断口？举出四种常见断口并描述其特征。

8）如何鉴定矿物的硬度？影响矿物硬度的主要因素是什么？写出摩斯硬度计10种标准矿物的名称。指甲、小刀、玻璃、陶瓷各相当于几级摩斯硬度？

9）试述矿物脆性和延展性、d性和挠性的本质。

10）何谓矿物的磁性？如何鉴定矿物的磁性？简要阐述矿物导电性、压电性、焦电性和放射性的概念。

董发勤 杨玉山 邓跃全 徐光亮 何登良 王维清 冯启明 朱桂平

（西南科技大学材料科学与工程学院，四川 绵阳 621010）

摘要 依据源于天然、兼容天然、用于自然、回归自然的准则，从生态环境友好材料的设计理念出发，把材料-环境-生态-健康的理念结合起来，充分利用天然矿物材料的功能属性，以仿生的方式加工微集料基元，使其成分、功能与人居环境协调兼容，阐述了调整微气候环境的矿物功能材料、净化微环境的矿物功能材料和优化微环境的矿物功能材料；指出了生态环境矿物材料的多功能化、复合化、微集料的复合特征与集成规律；首次提出了制造功能微集料和生态功能基元材料的“基因”技术、“材料芯片”技术。着重介绍了课题组在承担国家“863”高新计划开发的高性能居室空气净化矿物复合材料、粘土基元抗菌材料，防氡辐射砌筑水泥、腻子、涂料及其复合体，生态复合功能涂料、驱蚊保健功能材料、沸石基储能复合材料等研究成果，最后展望了矿物材料在未来新型生态环保材料中的发展前景。

关键词 生态功能；矿物材料；防氡辐射；保健；抗菌；储能。

第一作者简介：董发勤（1963—），男，博士，教授，博士生导师。电话：0816 6089013；E mail：fqdong2004@163.com。

一、引言

生态环境材料是同时具有满意的使用性能和优良的环境协调性，或者是能够改善环境的材料。对生态环境材料的研究与开发可有效地解决资源短缺、环境恶化等一系列问题，促进社会经济的可持续发展。

天然矿物材料是形成自然环境的基础，是天然环境友好的构成地球表面主要物质的矿物材料。矿物材料在治理环境污染与环境修复领域中发挥着独特的作用，在污染治理的规模、成本、工艺、设备、 *** 作、效果、无二次污染等方面具有明显的特点和优势。以矿物材料作为基元材料，利用其原料的天然属性，通过对其超细、改性、掺杂、复合及仿生的方式加工微集料基元，使其成分、功能与人居环境协调兼容，使用完毕后可重复利用或重回大自然。深入系统地研究环境矿物材料的基本性能，揭示环境矿物的净化机理，开发环境矿物材料的自净化功能，将进一步扩大环境矿物材料的应用领域，实现环境的生态化与可持续发展。

二、调整微气候环境矿物功能材料

（一）调湿矿物材料

“调湿材料”这一概念是日本宫野、西藤首先提出来的，是指不需要借助任何人工能源和机械设备，依靠自身的吸放湿性能，感应所调空间空气温湿的变化，自动调节空气湿度的材料。可以用做调湿材料的矿物材料很多，如硅藻土、海泡石、天然沸石、膨润土等。

天然硅藻土是一种价廉的吸附剂和干燥剂，是由浮游生物硅藻在地层中沉积而成的。无需任何添加剂、黏接剂，只要将其进行简单加工，就可以制成各种形状的调湿材料，并具有绝热、脱臭、吸音等作用。海泡石也是一种很好的调湿矿物材料，10 g 200目的海泡石样品可以将10 L密闭容器的湿度从70%降至4%。町长治、牧田昭信等在1972年和1987年分别研制开发出A型和B型沸石板，用于室内干湿度的调节。目前我们正利用粘土矿物的天然功能属性，通过特殊处理和不同粘土矿物混合后的协同效应，开展复合调湿材料的研究，已取得了一定的成果。

（二）调温矿物材料

调温材料主要分为制冷、制热两种手段调节温度，因此可以借助相变储能材料出现的相转换所导致的放热或吸热而起到调节温度的作用。目前相变储能材料的载体主要是一些天然矿物或利用其开发的多孔材料，如沸石、多孔石墨、大孔二氧化硅、膨润土和蒙脱石。另外，以某些矿物材料为功能基元材料，通过取代混凝土中的部分或全部骨料，可以制备出调温建筑材料，如电热混凝土、电热砂浆等。

我们以酸活化沸石为载体、十二醇为储能工质，制备了沸石基储能基元材料，在相变储能材料十二醇含量接近50%时，储能基元材料仍然具有良好的稳定性，并且储能效果较好。还通过在普通混凝土中添加导电功能基元材料石墨，制备出了导电致热混凝土，在24 V电压下通电100 min，最高温度达100℃，并具有较高的抗压强度，复相导电基元混凝土专利已被授权（ZL03117951.7 ），该专利目前正在产业化［1，2］。

三、净化微环境矿物功能材料

（一）空气净化功能材料

大部分粘土类矿物、半导体矿物、极性矿物都具有空气净化、改善室内生活环境的功能。利用天然沸石、膨润土作载体制备的TiO2矿物复合体光催化材料，在阳光照射下对有机染料罗丹明-B具分解脱色性能。沸石的脱色率6h达100%，膨润土的脱色率达94%。粉碎的金红石对卤代烃三氯乙烯和四氯乙烯具有一定的降解效果，表现出良好的光催化活性。我们以硝酸钕、天然矿物电气石和钛酸丁酯为原料制备的电气石复合Nd-TiO2光催化材料，在Nd-TiO2材料中掺入0.6%的电气石获得最好的光催化活性，600℃下煅烧光催化效果较优［3］。

（二）电磁屏蔽矿物功能材料

电磁屏蔽主要是用来防止高频电磁场的影响，从而有效地控制电磁波从某一区域向另一区域的辐射传播。石墨具有优异的高导电性和耐高温性，在特殊的电磁环境下有很高的电磁屏蔽效能。尖晶石类和反尖晶石类铁氧体在高频电磁场中都有较高的磁导率，在交变磁场中都具有较高的磁性各向异性，故具有类尖晶石结构的矿物材料都是具有开发潜力的一类电磁屏蔽功能矿物材料。磁铁矿（Fe3O4）是最简单的尖晶石型铁氧体，具有强磁性，是矿物中磁性最强的，因此也被用做电磁屏蔽矿物功能材料。

在混凝土中添加石墨，对低频电磁波的某些频带产生一定的屏蔽效果，并有正增量效果，添加15%石墨的单组分样品SEmax接近9 dB效果［4］；以石墨和羰基铁作为电磁屏蔽涂料的功能材料，替代一部分涂料填料，在1 MHz～1.8 GHz低频区域，涂料最大电磁屏蔽效能达到了6.029 dB［5］。

（三）防氡辐射矿物材料

沸石、重晶石、石膏等都是具有防氡辐射功能的基元材料，对它们进行超细、改性，作为功能组分添加到建材中，可以对氡起到很好的防护和屏蔽效果，沸石、重晶石等都是很好的防氡防辐射功能基元材料。

我们在研究中，通过对重晶石、沸石等进行超细加工，以其为功能基元材料，开发出了生态防氡防辐射砌筑水泥、生态防氡涂料、生态防氡辐射砌筑水泥-腻子-涂料复合体。在基元材料添加量为20%的情况下，采用表面析出法测出砌筑水泥对氡的屏蔽率为60.0%，对放射线的屏蔽率为46.9%；建筑腻子对氡的屏蔽率为86.5%，对放射线的屏蔽率为48.4%。采用密封法检测生态防氡涂料防氡率为90%～99%，采用表面析出法防氡率为86.7%；采用密封法检测生态防氡防辐射砌筑水泥-腻子-涂料复合体的防氡率为90%～99%；采用表面析出法检测出对氡的屏蔽率为87.9%，对辐射屏蔽率为50.4%［6～10］。

四、优化微环境矿物功能材料

（一）产生负离子矿物材料

Suda Kiyoshi申请了一种能够在室内产生空气负离子的材料［9］。我们以电气石、纳米二氧化钛及四种镧系稀土氧化物为原料试制的空气负离子保健基元材料中，电气石和二氧化铈的最佳复合比例是1∶1，100 g粉体空气负离子浓度可达2000个/cm3，在18 h内表面能量对空气分子的离解达到饱和，且随样品测试试量的增加呈递减关系［12］。目前课题组正对以稀土元素为添加剂制备的能够释放空气负离子的涂料进行研究，在应用中利用研制的涂料激活内墙涂料，优化室内生活环境。

（二）驱蚊保健功能材料

雄黄是多功能的有害昆虫天然驱避剂，不但毒杀蚊、蟑螂、苍蝇，而且连老鼠也敬而远之。硫磺也具有驱杀害虫的功能。在用雄黄、硫磺等矿物制备的驱蚊基元材料中，药量为2g时，经强迫接触实验，硫磺没有明显的击倒效果；雄黄1 h内击倒率为0，但24 h内死亡率达40%以上。雄黄还具有较好的抗菌效果，平均抑菌圈大小为40.75mm；在与沸石、滑石复合时，含量为2%（wB）仍具有抗菌效果［13］。

（三）保健功能矿物材料

远红外保健涂料是在涂料中掺入的常温远红外释放基元材料，在常温下吸收外部的热能，并将其转换为8～15μm的远红外线，它对生命体，尤其是对人体能起到生物效应，提高人体的新陈代谢和免疫功能。

在专利WO2004075986中涉及了一种远红外发生器，它由稀有元素和电气石组合而成，能够有效地产生远红外线，可以用于人体保健和加热保暖［14］。天津市硅酸盐研究所研制的远红外陶瓷粉是用无机矿物、非金属氧化物和金属氧化物制造而成的，该产品能集中发射波长为8～15μm的远红外线，其法向光谱比辐射率达到85%以上。该公司还利用远红外陶瓷粉和无机矿物原料混合后烧制而成远红外陶粒，远红外辐射率达87%以上，化学稳定性良好［15］。我们以麦饭石为主要原料，Al2O3/Fe2O3、MgO/MnO2、TiO2、ZrO2为辅助添加剂制备的麦饭石基远红外基元材料的红外热效应明显，10 min的温升最大值达到69.6℃，红外辐射率为0.91。将制备的远红外基元材料加入到涂料中，涂料红外发射率为0.87。

（四）抗菌矿物材料

根据有效成分和特征，抗菌剂分为生物抗菌剂、有机抗菌剂和无机抗菌剂三大类。抗菌剂的载体材料主要是无机多孔材料，常见的有硅酸盐多孔矿物，如沸石、蛭石、蒙脱石、坡缕石、硅藻土、硅胶、磷酸盐岩等。利用它们无毒无害、来源广、价格低等特点和优势，开发无机抗菌剂具有巨大的应用前景。

本课题组成功地开发了多种多孔无机抗菌基元材料：分别以斜发沸石、膨润土、坡缕石、硅藻土作为载体制备了银型、铜型、锌型多孔无机抗菌材料，TiO2包覆锌型斜发沸石抗菌剂，载铜型蒙脱石抗菌剂；以NH4＋改型斜发沸石为载体，制备了Cu2＋型、Zn2＋型及Cu2＋＋Zn2＋复合型抗菌剂。以蒙脱石为载体，将Cu2＋固载到载体的孔道中，同时将具有光催化降解自净化功能的TiO2插入到硅酸盐的层间，得到了对大肠杆菌（8099）和金黄色葡萄球菌（ATCC6538）的抗菌率为99.99%［16］。采用液相离子交换法制备的抗菌剂，其抗菌效果达到99.20%以上。用其配置的抗菌涂料，添加量为1%～3%时对大肠杆菌都有较好的抗菌效果［17］。以天然矿物斜发沸石为载体，控制pH值为7.0～9.0，用干湿循环法成功地制备了一种高载锌量的新型抗菌剂，载锌量为10.32%，外观呈白色，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率均大于99.9%。其含量为3.0 %时，锌型抗菌涂料对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌率均大于99.0%。以Cu、Zn及Cu＋Zn复合型抗菌斜发沸石作PP塑料填料制备的抗菌塑料，若添加量在1%～3%的范围内，添加量对其物理性质影响较小，但对抗菌率影响较大，其中新锌型斜发沸石抗菌剂在PP塑料中添加量为3%时，抗菌率达到了96.6%，抑菌效果很好。Cu2＋/Zn2＋复合斜发沸石基抗菌剂中存在Cu2＋和Zn2＋协同抗菌效应。

五、结语

实践证明，利用矿物材料的功能属性，通过改性、超细、复合，可以赋予其更多的新功能，使其具有多元及多层次的生态环保功效和明显的经济效益、社会效益。

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A Study on Mineral Eco-materials

Dong Faqin，Yang Yushan，Deng Yuequan，Xu Guangliang，He Dengliang，Wang Weiqing，Feng Qiming，Zhu Guiping

（School of Material Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang Sichuan 621010，China）

Abstract：According to the principle of origination from nature，compatible with nature，used to nature and back to nature and based on conception of designing of ecomaterial，the authors combined the ideas of material，environment，ecology and healthcare into one，and processed micro-aggregate elements by means of bionics method，using fully the performances of natural mineral materials，so as to make these components and functional performances accord with living environment.In this article the adjustment of microclimate eco-mineral functional materials，their purification and optimization are reviewed.The authors pointed out the multifunctioning，compounding of ecological mineral materials，the compound characteristics and integration regularities of micro-aggregates，and firstly put forward the“gene”technique or“material chip”technique for manufacturing functional micro-aggregates and eco-functional elementary materials.The results of this research supported by the national“863”Hi-tech Project，which includes the high-efficient air purifying indoor mineral compound material，the clay elementary antibacterial materials，the masonry cement，coating，putty，compound with radon radiation preventing function，environmental friendly composite functional coatings，mosquito repellent and healthcare materials and zeolite-based energy-storing composite materials，were introduced.Finally，the development perspective of mineral materials in the field of future new advanced ecological，envoironmentfriendly materials was also discussed.

Key words：eco-function，mineral materials，prevention of radon radiation，healthcare，antibacterial，energy-storing.

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