新材料产业高质量发展对非金属矿物原料的需求特点探讨

王洁军，刘少华，王晓芳

（中国建筑材料工业规划研究院 北京 100035）

0 引言

新材料产业的发展水平正成为衡量一个国家和地区经济社会发展、科技进步和国防实力的重要标志，各国都高度重视新材料的研发和产业化发展，近些年也纷纷制定出符合自身特点的产业发展计划和相关支持政策[1]。截至2018 年，我国新材料产业整体规模已达到3.9 万亿元，从2011年到2018 年的年均复合增长率超过25%[2]，产业规模快速扩张。未来，随着下游各高新技术领域的快速发展，新材料产业规模的增长速度仍将维持在高位。

1 非金属矿产业作为我国经济社会发展过程中的关键环节

非金属矿产业作为我国经济社会发展过程中的关键环节，一直发挥着至关重要的作用。虽然各类非金属矿资源通过初步粉碎研磨、提纯改性、挤出造粒等精深加工后也能直接应用到生态环保、生物医药、农业农村等战略性新兴产业领域，但更多时候是通过进一步的加工复合，成为新材料后应用到下游各新兴领域——即以“非金属矿→新材料→战略性新兴产业”的模式对下游产生影响。

图1 非金属矿资源、新材料产业与战略性新兴产业间的关系

在新材料产业各细分领域中，以特种水泥、特种玻璃、功能陶瓷、高性能纤维及复合材料等为代表的新型无机非金属材料；以特种橡胶、功能塑料、表面功能涂料、高性能密封材料等为代表的先进高分子材料；新型负极材料；石墨烯；气凝胶；锂离子电池隔膜等均对非金属矿资源产生大量需求，而非金属矿则多以工业原料、功能填料、工业助剂等形式在新材料生产制造过程中发挥作用。近些年，随着各领域高质量发展要求的不断提升，尤其是战略性新兴产业快速发展，各领域对新材料品质要求的提升也逐渐传导至对非金属矿物原料的高质量供应上，其特点和趋势集中体现在以下方面：

2 对矿物组分在高纯低杂方面的需求

新材料产业对非金属矿物原料最大的需求就是非金属矿物原料中特定组分的高纯低杂，其有效组分纯度越高，下游新材料在生产制造过程中就越接近于理论设计，各项性能指标也越接近于设计要求。以应用领域较广的高岭土为例，其高岭石Al2Si2O5（OH）4含量越高，则以其为原料的众多新材料则在各项性能指标上则体现的更加优秀[3]。各类杂质含量的高低决定了非金属矿物原料能否用于附加值更高的新材料中，例如应用到特高压输电中的高压瓷绝缘子等新材料对高岭土原料中铁、钛等有害元素的含量就有严格要求[4]。除高岭土外，石英（SiO2）、膨润土（蒙脱石）、凹凸棒土（坡缕石）、菱镁矿（MgCO3）、硅灰石（CaO·SiO2）、萤石（CaF）、石墨（C）、重晶石（BaSO4）等多种非金属矿物原料在应用到新材料的生产过程中时，均对其纯度以及各类杂质含量提出了具体要求。

虽然提纯除杂是非金属矿原料加工的传统课题，但是在未来很长一段时间内，与非金属矿物原料提纯除杂相关的基础理论研究、生产工艺创新及专用设备制造仍然是保障下游相关领域高质量发展的重中之重。

3 对特定矿物结构及晶体形态的需求

众多新材料的生产不仅对非金属矿物原料在有效组分的纯度方面有需求，也对其在微观形态方面有特定需求，例如众多新材料对充当填料的非金属矿物，就要求其颗粒度小于某一指标，要求非金属矿物填料达到纳米级水平的新材料也非常常见。除对非金属矿在超细微方面（高比表面积） 的需求外，在一维（非金属矿物纤维化，具有较高的长径比，如硅灰石、非金属矿晶须等）、二维（非金属矿物片层化，如石墨烯、滑石等）、管状（如埃洛石、凹凸棒石等）、孔状（如硅藻土等）等结构形态方面也均有需求。非金属矿这些特殊的结构形态有的是在自然状态下矿物本身所具有的，有的是经过人工改造后实现的，不同的结构形态对应着不同的性能。通过利用不同结构形态非金属矿物原料所具有的特殊性能，或将其与一些功能因子（储能、吸附、过滤、中和、催化、曾韧、补强、特定药物等）进行复合后，可应用到不同类型新材料的生产制造中。

面对新材料产业对非金属矿物在结构形态方面的需求，一是要从基础理论出发，研究清楚不同矿物在不同结构形态下所具有的特殊性能；二是要在非金属矿开采、分选、加工等制造环节，对有益矿物晶型及结构的保护，注重相应生产工艺及设备的开发；三是要在理论研究的基础上，对可能具有特殊功能属性能的矿物结构形态进行逆推式的设计和生产制造，最终实现非金属矿工业从矿物加工阶段向材料设计阶段的发展。

4 对普适矿物原料稳定性方面的需求

目前，非金属矿物原料加工企业产能普遍偏小，下游新材料企业在生产过程中常常要面对多家非金属矿物原料供应商，原料稳定性方面的问题时常困扰着下游企业。除对非金属矿物原料在各项性能指标方面有需求外，能长期提供性能稳定、价格低廉的矿物原料也是新材料产业对非金属矿矿物原料的又一重大需求，而通过推动非金属矿工业原料工业化大规模生产是保证产品性能稳定性，降低产品价格的最有效的途径。当前，以碳酸钙粉体为代表的部分矿种已经形成了大规模的生产能力[5]，但是众多矿种的生产能力仍然较小，在原料稳定性、经济性等方面与下游需求差距较大。

面对这方面的需求，在借助市场及行政手段进行产业整合的同时，一是要开发设计并生产制造适合不同矿物品种，尤其是能广泛应用于各个领域的通用矿物原料的大规模集成生产线，包含生产工艺、控制系统、专用设备、辅助检测仪器等环节；二是提升各环节的自动化、数字化以及智能化水平，减少不必要的人工干预，全面降低生产成本的同时做好非金属矿物原料的质量控制。

5 对合成非金属矿物原料的需求

随着应用领域的细化，新材料对于上游非金属矿物原料的需求已不仅仅局限于天然矿物原料，对于性能更好的人工合成矿物原料的需求量和需求种类也正在飞速增长。对人工合成矿物原料的大量需求在特种陶瓷领域表现的更加明显，例如节能环保领域应用的脱硝催化剂载体（蜂窝陶瓷），其生产原料中就包含大量人工合成堇青石、莫来石等[6]。此外，以SiC、Si3N4、ZrO2、BN 等为代表的多种人工合成粉体原料也均被应用到各类新材料的生产过程中。再有，人工合成矿物在增材制造（俗称“3D 打印”）等新一代制造技术中也拥有广泛应用的潜力。

人工合成矿物原料是非金属矿产业从矿物加工阶段向材料设计阶段发展的一个重要环节，是产业精细化发展的重要内容，随着应用领域的逐渐细化，新材料产业对高新能的人工合成矿物将产生更多需求。面对这一需求趋势，一是要对现有天然矿物的基础结构和性能进行深入的研究和理解，建立可用天然矿物的相关数据库和设计模拟系统（可借鉴MGI，“美国的材料基因组计划”）；二是要根据需求端的要求，能提出可行的利用天然矿物制备高性能合成矿物的理论设计基础和生产工艺流程；三是加快相关研究成果的产业转化，推动可产生经济效益和社会效应的优秀项目尽快落地见效。

6 展望

虽然我国非金属矿资源拥有种类齐全、资源丰富、分布广泛等诸多优势，但目前在高品质矿物原料的供应方面仍有很多短板问题，供需结构性矛盾突出。新时期，针对以上新材料产业发展对非金属矿物原料的需求特点，推动更多优质要素向非金属矿物原料加工及制造环节集中，解决“非金属矿物原料高质量供应”这一关键问题，将是保障新材料产业高质量发展的重要前提。