[科普中国]-合成矿物

又称“人造矿物”。在工厂和实验室中由人工方法制成的与天然矿物相同或类同的物质。如人造金刚石、人造压电石英、人造红宝石等。可以满足生产上对某些矿物的迫切需要，并由合成过程进一步阐明有关天然矿物的成因。1

简介由人工方法制成的与天然矿物相同或类似的单质或化合物。如人造水晶、人造压电水晶。可弥补天然矿物材料的不足。如阿司匹林、磺胺、合霉素等。

在工厂和实验室中用人工方法制成的与天然矿物相同或类同的矿物，如合成金刚石、合成压电石英、合成红宝石等。由于自然界这些矿物资源不能满足生产上的迫切需要，人们就模拟这些矿物在自然界形成时的物理化学条件，用人工方法合成这些矿物。合成矿物的制成可以进一步阐明与这些合成矿物类同的天然矿物的成因。

主要特征合成矿物的突出优点由于合成矿物有很多突出的物理化学性能。从而提升了它们在陶瓷%耐火材料中的应用价值。在物理性能方面，通常采用合成矿物加工而成的陶瓷材料具有较低的气孔率和较大的体密度，从而可使材料具备很高的荷重软化温度，材料所特有的硬度也可使其具备良好的耐磨性。 在化学性能方面，采用合成矿物制备而成的陶瓷材料不易与熔融物发生反应，可使其保持良好的抗侵蚀性，例如，用氧化铝、氧化锆和氧化硅合成的ABS 对高温玻璃熔体具有很强的抗侵蚀性，合成镁铬尖晶石对熔渣等高温侵蚀性成份也呈惰性’氧化铝%氧化锆等其它一些合成矿物即使在达到甚至超过其自身熔融温度时也不会受到氧化作用的影响’碳化硅。碳化硼等合成矿物即使在温度高达1400°时也能够保持良好的抗氧化性’硅酸盐类合成矿物莫来石。硅酸锆等即使在超过其熔融温度时也具有抗氧化性能，

由于采用电炉进行矿物合成具有可调节性和灵活性的特征，这样可确保合成矿物能够严格按人们的意图得到制备。在尖晶石合成过程中。可通过合理控制氧化镁和氧化铝的最佳含量得到理想的合成尖晶石矿物’同样通过灵活%准确地调节氧化镁或氧化铬的含量可分别得到以镁为主体成份的镁铬尖晶石和以铬为主体成份的铬镁尖晶石。合成矿物的纯度远高于天然矿物，例如在熔融莫来石中莫来石的含量可高达百分之99%而从自然界中得到的天然莫来石矿物的莫来石含量一般仅为93%-94%熔融氧化铝中的氧化铝含量也可高达98%而从自然界中得到的高铝矿物(((天然刚玉的氧化铝含量一般仅为75%-90% 。2

合成矿物的质量特征质量稳定是合成矿物所具有的另一个显著特征。 如果我们把经过加工处理后的高纯度氧化铝和高纯度的氧化硅置入电炉内。通过合成的方式可获得质量稳定的高纯度莫石通过对高纯度氧化铝进行加工处理 同样也可得到纯度高达99。5%以上的氧化铝。 如果采用铝矾土加工制备氧化铝，通过三种或多种铝矾土相混合可减小天然矿物在纯度上的差异。通常铝矾土中的主体成份是氧化铝和氧化钛，除此之外有氧化铁和氧化硅等。 在高温熔融阶段，焦碳、铁屑等添加剂的引入有助于杂质成份的排出，可得含量为96%左右的氧化铝。2

合成矿物的颗粒尺寸和形状特征合成矿物最终的颗粒尺寸和形状取决于对其加工破碎情况。在破碎加工阶段，首先应当把合成矿物加工破碎至能够实施颚式破碎的尺寸，然后把物料投入颚式破碎机中进行破碎，再进一步通过圆锥式破碎机、旋转式锤击破碎机、辊式破碎机以及振动磨等设备加工成细小的颗粒。 根据所选择破碎设备的不同可得到块状或针状颗粒。采用辊式破碎机易于加工出针状颗粒，而采用旋转式锤击破碎机易得到块状粉碎颗粒。 通过球磨机、气流磨等粉碎合成矿物应用设备可加工出更加细小的颗粒。为了避免原料在球磨过程中受到污染，可选用与合成矿物相似的无害材料作球磨机的内衬， 通过利用不同大小的颗粒在水中或空气中具有不同沉降速率的原理可以达到分离细小颗粒的目的。采用该种分离方法可使合成矿物粒减小至亚微细状态，通常， 用于陶瓷工业的合成矿物颗粒一般可通过目筛甚至更细。

合成矿物配合料的均一性在合成矿物过程中。 通过分析测定混合料中某一成份变化情况可实现对各成份间化学反应的有效控制。 在分析测定时。 首先从炉中取出物料试样并快速降温。破碎成粉末状。并采用原子吸收仪进行分析测定。 该过程只需几分钟即可完成。 在合成镁铬尖晶石过程中。 氧化铬是配合料中起支配作用的成份。 通过及时对其实施分析测定可有效地实现对整个反应过程的严格控制#对于氧化铝而言。氧化钛是最终需要减少的成份。 所以需要经过严格选择。 在氧化铝加工制备的配料阶段。需经过多次重复性分析试验。并通过适当增大配料量来确保配料稳定。在氧化铝加工制备的熔融阶段。 氧化硅和氧化铁等杂质成份能够得以排除。 氧化钛最终亦可减少到预期含量。并确保配料符合规范化要求。

合成矿物的热处理特性通过对合成矿物妥善进行热处理可使材料性能得到进一步改善。 例如。在合成氧化铝陶瓷材料时。通过热处理可使氧化锆沉淀出来并形成薄层。从而使氧化铝陶瓷材料得到钢化。 如果把浇注到钢球上使之得到淬冷，通过该种方式处理后所形成的氧化铝薄层可确保合成材料更加坚硬#通过对熔融氧化铝进行热处理。可促使液态氧化钛得到氧化， 这样可以使合成矿物受到如同合金一样的热处理作用，并产生类似于合金的热处理效果。2

发展前景随着自然界中优质天然矿物的日益匮乏，随着各领域对陶瓷材料。耐火材料各项性能要求的不断提高及需求量的不断增加， 随着人们环境保护意识的逐步增强，合成矿物的品种和需求量将逐年递增，合成矿物的用途也将越来越广泛。 不容忽视的是通过人工合成还可实现各种合成矿物的回收和再利用，例如ABS 是一种由氧化铝、氧化锆和氧化硅组成的合成矿物，它广泛应用在玻璃工业中，在长期生产使用过程中， 其中的二氧化硅会因为受到玻璃熔体的侵蚀作用而呈多孔性并使其失去使用价值。 但通过在玻璃熔炉中引入更多的二氧化硅成份， 可确保该种材料重新恢复原有的二氧化硅含量， 使工业废弃物得到循环使用， 这既有利于环境保护又有助于资源的再利用。2

本词条内容贡献者为:

屈明 - 副研究员 - 西南大学