新材料產業高質量發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

（中國建筑材料工業規劃研究院 北京 100035）

0 引言

新材料產業的發展水平正成為衡量一個國家和地區經濟社會發展、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和產業化發展，近些年也紛紛制定出符合自身特點的產業發展計劃和相關支持政策[1]。截至2018 年，我國新材料產業整體規模已達到3.9 萬億元，從2011年到2018 年的年均復合增長率超過25%[2]，產業規模快速擴張。未來，隨著下游各高新技術領域的快速發展，新材料產業規模的增長速度仍將維持在高位。

1 非金屬礦產業作為我國經濟社會發展過程中的關鍵環節

非金屬礦產業作為我國經濟社會發展過程中的關鍵環節，一直發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環保、生物醫藥、農業農村等戰略性新興產業領域，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→戰略性新興產業”的模式對下游產生影響。

圖1 非金屬礦資源、新材料產業與戰略性新興產業間的關系

在新材料產業各細分領域中，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生大量需求，而非金屬礦則多以工業原料、功能填料、工業助劑等形式在新材料生產制造過程中發揮作用。近些年，隨著各領域高質量發展要求的不斷提升，尤其是戰略性新興產業快速發展，各領域對新材料品質要求的提升也逐漸傳導至對非金屬礦物原料的高質量供應上，其特點和趨勢集中體現在以下方面：

2 對礦物組分在高純低雜方面的需求

新材料產業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的更加優秀[3]。各類雜質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過程中時，均對其純度以及各類雜質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課題，但是在未來很長一段時間內，與非金屬礦物原料提純除雜相關的基礎理論研究、生產工藝創新及專用設備制造仍然是保障下游相關領域高質量發展的重中之重。

3 對特定礦物結構及晶體形態的需求

眾多新材料的生產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）等結構形態方面也均有需求。非金屬礦這些特殊的結構形態有的是在自然狀態下礦物本身所具有的，有的是經過人工改造后實現的，不同的結構形態對應著不同的性能。通過利用不同結構形態非金屬礦物原料所具有的特殊性能，或將其與一些功能因子（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制造中。

面對新材料產業對非金屬礦物在結構形態方面的需求，一是要從基礎理論出發，研究清楚不同礦物在不同結構形態下所具有的特殊性能；二是要在非金屬礦開采、分選、加工等制造環節，對有益礦物晶型及結構的保護，注重相應生產工藝及設備的開發；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進行逆推式的設計和生產制造，最終實現非金屬礦工業從礦物加工階段向材料設計階段的發展。

4 對普適礦物原料穩定性方面的需求

目前，非金屬礦物原料加工企業產能普遍偏小，下游新材料企業在生產過程中常常要面對多家非金屬礦物原料供應商，原料穩定性方面的問題時常困擾著下游企業。除對非金屬礦物原料在各項性能指標方面有需求外，能長期提供性能穩定、價格低廉的礦物原料也是新材料產業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原料工業化大規模生產是保證產品性能穩定性，降低產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形成了大規模的生產能力[5]，但是眾多礦種的生產能力仍然較小，在原料穩定性、經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業整合的同時，一是要開發設計并生產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模集成生產線，包含生產工藝、控制系統、專用設備、輔助檢測儀器等環節；二是提升各環節的自動化、數字化以及智能化水平，減少不必要的人工干預，全面降低生產成本的同時做好非金屬礦物原料的質量控制。

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的更加明顯，例如節能環保領域應用的脫硝催化劑載體（蜂窩陶瓷），其生產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業從礦物加工階段向材料設計階段發展的一個重要環節，是產業精細化發展的重要內容，隨著應用領域的逐漸細化，新材料產業對高新能的人工合成礦物將產生更多需求。面對這一需求趨勢，一是要對現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據庫和設計模擬系統（可借鑒MGI，“美國的材料基因組計劃”）；二是要根據需求端的要求，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工藝流程；三是加快相關研究成果的產業轉化，推動可產生經濟效益和社會效應的優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、分布廣泛等諸多優勢，但目前在高品質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，針對以上新材料產業發展對非金屬礦物原料的需求特點，推動更多優質要素向非金屬礦物原料加工及制造環節集中，解決“非金屬礦物原料高質量供應”這一關鍵問題，將是保障新材料產業高質量發展的重要前提。