新材料產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展對非金屬礦物原料的需求特點探討

王潔軍，劉少華，王曉芳

（中國建筑材料工業(yè)規(guī)劃研究院 北京 100035）

0 引言

新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平正成為衡量一個國家和地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展、科技進步和國防實力的重要標志，各國都高度重視新材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，近些年也紛紛制定出符合自身特點的產(chǎn)業(yè)發(fā)展計劃和相關支持政策[1]。截至2018 年，我國新材料產(chǎn)業(yè)整體規(guī)模已達到3.9 萬億元，從2011年到2018 年的年均復合增長率超過25%[2]，產(chǎn)業(yè)規(guī)?？焖贁U張。未來，隨著下游各高新技術領域的快速發(fā)展，新材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模的增長速度仍將維持在高位。

1 非金屬礦產(chǎn)業(yè)作為我國經(jīng)濟社會發(fā)展過程中的關鍵環(huán)節(jié)

非金屬礦產(chǎn)業(yè)作為我國經(jīng)濟社會發(fā)展過程中的關鍵環(huán)節(jié)，一直發(fā)揮著至關重要的作用。雖然各類非金屬礦資源通過初步粉碎研磨、提純改性、擠出造粒等精深加工后也能直接應用到生態(tài)環(huán)保、生物醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)農(nóng)村等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)領域，但更多時候是通過進一步的加工復合，成為新材料后應用到下游各新興領域——即以“非金屬礦→新材料→戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)”的模式對下游產(chǎn)生影響。

圖1 非金屬礦資源、新材料產(chǎn)業(yè)與戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)間的關系

在新材料產(chǎn)業(yè)各細分領域中，以特種水泥、特種玻璃、功能陶瓷、高性能纖維及復合材料等為代表的新型無機非金屬材料；以特種橡膠、功能塑料、表面功能涂料、高性能密封材料等為代表的先進高分子材料；新型負極材料；石墨烯；氣凝膠；鋰離子電池隔膜等均對非金屬礦資源產(chǎn)生大量需求，而非金屬礦則多以工業(yè)原料、功能填料、工業(yè)助劑等形式在新材料生產(chǎn)制造過程中發(fā)揮作用。近些年，隨著各領域高質(zhì)量發(fā)展要求的不斷提升，尤其是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，各領域?qū)π虏牧掀焚|(zhì)要求的提升也逐漸傳導至對非金屬礦物原料的高質(zhì)量供應上，其特點和趨勢集中體現(xiàn)在以下方面：

2 對礦物組分在高純低雜方面的需求

新材料產(chǎn)業(yè)對非金屬礦物原料最大的需求就是非金屬礦物原料中特定組分的高純低雜，其有效組分純度越高，下游新材料在生產(chǎn)制造過程中就越接近于理論設計，各項性能指標也越接近于設計要求。以應用領域較廣的高嶺土為例，其高嶺石Al2Si2O5（OH）4含量越高，則以其為原料的眾多新材料則在各項性能指標上則體現(xiàn)的更加優(yōu)秀[3]。各類雜質(zhì)含量的高低決定了非金屬礦物原料能否用于附加值更高的新材料中，例如應用到特高壓輸電中的高壓瓷絕緣子等新材料對高嶺土原料中鐵、鈦等有害元素的含量就有嚴格要求[4]。除高嶺土外，石英（SiO2）、膨潤土（蒙脫石）、凹凸棒土（坡縷石）、菱鎂礦（MgCO3）、硅灰石（CaO·SiO2）、螢石（CaF）、石墨（C）、重晶石（BaSO4）等多種非金屬礦物原料在應用到新材料的生產(chǎn)過程中時，均對其純度以及各類雜質(zhì)含量提出了具體要求。

雖然提純除雜是非金屬礦原料加工的傳統(tǒng)課題，但是在未來很長一段時間內(nèi)，與非金屬礦物原料提純除雜相關的基礎理論研究、生產(chǎn)工藝創(chuàng)新及專用設備制造仍然是保障下游相關領域高質(zhì)量發(fā)展的重中之重。

3 對特定礦物結構及晶體形態(tài)的需求

眾多新材料的生產(chǎn)不僅對非金屬礦物原料在有效組分的純度方面有需求，也對其在微觀形態(tài)方面有特定需求，例如眾多新材料對充當填料的非金屬礦物，就要求其顆粒度小于某一指標，要求非金屬礦物填料達到納米級水平的新材料也非常常見。除對非金屬礦在超細微方面（高比表面積） 的需求外，在一維（非金屬礦物纖維化，具有較高的長徑比，如硅灰石、非金屬礦晶須等）、二維（非金屬礦物片層化，如石墨烯、滑石等）、管狀（如埃洛石、凹凸棒石等）、孔狀（如硅藻土等）等結構形態(tài)方面也均有需求。非金屬礦這些特殊的結構形態(tài)有的是在自然狀態(tài)下礦物本身所具有的，有的是經(jīng)過人工改造后實現(xiàn)的，不同的結構形態(tài)對應著不同的性能。通過利用不同結構形態(tài)非金屬礦物原料所具有的特殊性能，或?qū)⑵渑c一些功能因子（儲能、吸附、過濾、中和、催化、曾韌、補強、特定藥物等）進行復合后，可應用到不同類型新材料的生產(chǎn)制造中。

面對新材料產(chǎn)業(yè)對非金屬礦物在結構形態(tài)方面的需求，一是要從基礎理論出發(fā)，研究清楚不同礦物在不同結構形態(tài)下所具有的特殊性能；二是要在非金屬礦開采、分選、加工等制造環(huán)節(jié)，對有益礦物晶型及結構的保護，注重相應生產(chǎn)工藝及設備的開發(fā)；三是要在理論研究的基礎上，對可能具有特殊功能屬性能的礦物結構形態(tài)進行逆推式的設計和生產(chǎn)制造，最終實現(xiàn)非金屬礦工業(yè)從礦物加工階段向材料設計階段的發(fā)展。

4 對普適礦物原料穩(wěn)定性方面的需求

目前，非金屬礦物原料加工企業(yè)產(chǎn)能普遍偏小，下游新材料企業(yè)在生產(chǎn)過程中常常要面對多家非金屬礦物原料供應商，原料穩(wěn)定性方面的問題時常困擾著下游企業(yè)。除對非金屬礦物原料在各項性能指標方面有需求外，能長期提供性能穩(wěn)定、價格低廉的礦物原料也是新材料產(chǎn)業(yè)對非金屬礦礦物原料的又一重大需求，而通過推動非金屬礦工業(yè)原料工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)是保證產(chǎn)品性能穩(wěn)定性，降低產(chǎn)品價格的最有效的途徑。當前，以碳酸鈣粉體為代表的部分礦種已經(jīng)形成了大規(guī)模的生產(chǎn)能力[5]，但是眾多礦種的生產(chǎn)能力仍然較小，在原料穩(wěn)定性、經(jīng)濟性等方面與下游需求差距較大。

面對這方面的需求，在借助市場及行政手段進行產(chǎn)業(yè)整合的同時，一是要開發(fā)設計并生產(chǎn)制造適合不同礦物品種，尤其是能廣泛應用于各個領域的通用礦物原料的大規(guī)模集成生產(chǎn)線，包含生產(chǎn)工藝、控制系統(tǒng)、專用設備、輔助檢測儀器等環(huán)節(jié)；二是提升各環(huán)節(jié)的自動化、數(shù)字化以及智能化水平，減少不必要的人工干預，全面降低生產(chǎn)成本的同時做好非金屬礦物原料的質(zhì)量控制。

5 對合成非金屬礦物原料的需求

隨著應用領域的細化，新材料對于上游非金屬礦物原料的需求已不僅僅局限于天然礦物原料，對于性能更好的人工合成礦物原料的需求量和需求種類也正在飛速增長。對人工合成礦物原料的大量需求在特種陶瓷領域表現(xiàn)的更加明顯，例如節(jié)能環(huán)保領域應用的脫硝催化劑載體（蜂窩陶瓷），其生產(chǎn)原料中就包含大量人工合成堇青石、莫來石等[6]。此外，以SiC、Si3N4、ZrO2、BN 等為代表的多種人工合成粉體原料也均被應用到各類新材料的生產(chǎn)過程中。再有，人工合成礦物在增材制造（俗稱“3D 打印”）等新一代制造技術中也擁有廣泛應用的潛力。

人工合成礦物原料是非金屬礦產(chǎn)業(yè)從礦物加工階段向材料設計階段發(fā)展的一個重要環(huán)節(jié)，是產(chǎn)業(yè)精細化發(fā)展的重要內(nèi)容，隨著應用領域的逐漸細化，新材料產(chǎn)業(yè)對高新能的人工合成礦物將產(chǎn)生更多需求。面對這一需求趨勢，一是要對現(xiàn)有天然礦物的基礎結構和性能進行深入的研究和理解，建立可用天然礦物的相關數(shù)據(jù)庫和設計模擬系統(tǒng)（可借鑒MGI，“美國的材料基因組計劃”）；二是要根據(jù)需求端的要求，能提出可行的利用天然礦物制備高性能合成礦物的理論設計基礎和生產(chǎn)工藝流程；三是加快相關研究成果的產(chǎn)業(yè)轉化，推動可產(chǎn)生經(jīng)濟效益和社會效應的優(yōu)秀項目盡快落地見效。

6 展望

雖然我國非金屬礦資源擁有種類齊全、資源豐富、分布廣泛等諸多優(yōu)勢，但目前在高品質(zhì)礦物原料的供應方面仍有很多短板問題，供需結構性矛盾突出。新時期，針對以上新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展對非金屬礦物原料的需求特點，推動更多優(yōu)質(zhì)要素向非金屬礦物原料加工及制造環(huán)節(jié)集中，解決“非金屬礦物原料高質(zhì)量供應”這一關鍵問題，將是保障新材料產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要前提。