黃 琳，孫 艷，郭唯明，楊雅淇

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083；2.中國地質科學院礦產(chǎn)資源研究所國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室，北京 100037)

新材料作為高新技術的基礎和先導，將成為未來最重要和最具發(fā)展?jié)摿Φ念I域。信息、能源和生物等高技術與新材料迅速融合，以及新材料研發(fā)設計中應用的大數(shù)據(jù)、數(shù)字仿真等技術，都體現(xiàn)著國際新材料市場的競爭越來越激烈。在未來的五年里，國家目標落實《中國制造2025》、調整產(chǎn)業(yè)結構、推動制造業(yè)轉型升級。為實現(xiàn)《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》《中國制造2025》，新材料產(chǎn)業(yè)在“十三五”期間健康有序發(fā)展，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會、科學技術部、財政部聯(lián)合制定了《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》，指南中明確指出了重點應用領域急需的新材料和前沿新材料。本次針對這些新材料所需礦種做簡要介紹，新材料主要領域及其所需主要礦產(chǎn)資料種類見圖1。

圖1 新材料主要領域及其所需主要礦產(chǎn)資源種類

1 十項重點應用領域急需的新材料

1.1 新一代信息技術產(chǎn)業(yè)用材料

伴隨著科技的進步，推動信息技術產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展,已成為我國提升綜合國力、提高競爭力的重要內(nèi)容。高純石英砂是各種高科技產(chǎn)業(yè)的重要原料基礎，被越來越多地運用到各種高新領域中，如制造二氧化硅薄膜、石英玻璃、半導體硅及光線通訊電纜等，這些高性能材料的制作對于石英砂的純度有極高要求。我國的高純石英砂提純技術還處在發(fā)展過程中，對于高純石英砂有極大的需求量，我國每年都會大量向擁有先進提純加工技術的國家批量進口高純石英砂[1]。

提到造巖礦物，石英的地位舉足輕重，其在自然界中的分布也很廣。從工業(yè)的應用方面可分為7種成因類型：天然水晶、石英巖、粉石英、脈石英、石英砂巖、天然石英砂和花崗巖石英。高純石英的原料通常為天然水晶，而隨著近年來各行各業(yè)對于這種原料的需求量不斷增大，加上它在自然環(huán)境中本來就不多，使得加工高純石英的原料越來越稀缺。只有極少量花崗巖石英和脈石英得以利用[2]。在我國，由于高純石英原料的缺乏以及采選技術的落后，對于高純石英原料選擇及其加工工藝的盲目性也就隨之顯現(xiàn)出來。高純石英原料的開發(fā)利用特點在不同地質成因類型中有較大差異，脈石英礦體礦石質量變化較大且產(chǎn)出規(guī)模小，沉積變質石英巖占石英原料查明儲量的58%，而花崗偉晶巖中賦存的石英純度難以選取以及判別，所以這類潛在的高純石英礦物資源亟需關注與研究[3]。

1.2 高檔數(shù)控機床和機器人材料

推動高檔數(shù)控機床和機器人材料的發(fā)展，首先一大條件是加快實現(xiàn)稀土磁性材料及其應用器件產(chǎn)業(yè)化，開展傳感器、伺服電機等應用驗證。同時，還應調整超硬材料品種的結構，發(fā)展低成本、高精度的立方氮化硼材料和人造金剛石，解決高檔數(shù)控機床專用刀具材料制約。稀土永磁性材料、金剛石及硼礦等廣泛用于該領域。

稀土永磁材料是目前發(fā)展階段磁性能最強的永磁材料，它在高檔數(shù)控機床和機器人、交通等領域應用廣泛。按稀土永磁材料的開發(fā)應用時間可將其分為三代，分別為釤鈷(SmCo5)、釤鈷(Sm2Co17)和釹鐵硼(Nd2Fe14B)稀土永磁材料。SmFeN系稀土永磁材料和由Nd2Fe14B或Fe、Sm2Co17或FeCo等構成的納米雙相交換耦合永磁材料等近年來也相繼被發(fā)現(xiàn)。盡管已產(chǎn)業(yè)化多年，稀土永磁產(chǎn)業(yè)的發(fā)展態(tài)勢仍然不減。在電子信息、能源、醫(yī)療設備、交通、汽車工業(yè)等眾多領域時常見到NdFeB磁性材料的身影，由于低碳經(jīng)濟的發(fā)展，新能源、風電發(fā)電、節(jié)能環(huán)保等新領域也悄然形成，所以對于NdFeB磁性材料的發(fā)展前景依然可觀[4]。

全世界的稀土資源主要分布在中國、澳大利亞、俄羅斯、美國、巴西、加拿大、印度等少數(shù)幾個國家。中國是名副其實的世界第一稀土資源大國，不僅稀土元素、礦種種類齊全，儲量也及其豐富，成礦條件十分有利，礦床類型齊全，分布面廣而且相對集中，區(qū)域分布格局及稀土品位合理，這些特點為中國稀土工業(yè)的發(fā)展奠定了堅實的基礎。稀土礦既是中國的優(yōu)勢礦種，也是中國重要的戰(zhàn)略性礦種。目前已發(fā)現(xiàn)了上千處礦床、礦點和礦化產(chǎn)地分布在全國三分之二以上的省(區(qū))，全國稀土資源總量的98%分布在內(nèi)蒙古、江西、廣東、四川、山東等省(區(qū))，形成東西南北均有的分布格局，且以“北輕南重”為顯著特點[5]。近些年，由于過度開采和低價銷售，中國的稀土資源儲量在世界排名中總體呈下降趨勢，資源優(yōu)勢堪憂。

寶石級和工業(yè)級是金剛石兩大類型，“寶石之最”的寶石級金剛石又稱鉆石。廣泛應用的工業(yè)級金剛石，其特性為高耐磨、高硬度，以及優(yōu)異的光學、熱學和電學性能等。世界上超過35個國家都發(fā)現(xiàn)了金剛石。我國金剛石資源缺乏，被開發(fā)利用的優(yōu)質金剛石資源達73%以上，進口是主要的天然金剛石來源[6]。經(jīng)查明，原生礦為我國金剛石資源的主要賦存狀態(tài)，約占總體的95.30%，砂礦僅占4.70%。我國金剛石砂礦平均品位低于原生礦，但砂礦寶石級含量高。由于砂礦規(guī)模小，目前已不具有開發(fā)利用價值[6]。

世界硼資源比較充足，2016年B2O3的儲量約為3.8億t(不含阿根廷、玻利維亞、哈薩克斯坦)，大約70%為土耳其的硬硼鈣石。美國、阿根廷、玻利維亞、智利、中國為硼的主要賦存國家。我國硼礦資源總體上具有資源豐富，種類多、共伴生礦物多、礦石品位低、富礦少、貧礦多、開發(fā)利用程度低、產(chǎn)地分布不平衡等特點。目前，我國硼酸鹽70%以上依靠進口，我國硼礦主力基地遼吉硼鎂礦資源已近枯竭，急待尋找新的替代硼資源后備基地[7]。

青藏高原賦有豐富的鹽類礦產(chǎn)資源，尤以富含硼為其重要特征之一，形成地球上獨特的外生硼成礦帶，為中國已知最有遠景的外生硼礦產(chǎn)區(qū)?？蓪⑵浞譃楣腆w和液體類型，液體硼礦居多，相對于固體硼礦有較大資源遠景，但目前主要以固體硼礦的開發(fā)利用為主。對于我國的硼礦資源，其儲量雖大，有限的資源利用率是最大的難題，存在明顯的供需矛盾，因此青藏高原富硼鹽湖綜合開發(fā)利用的進一步推進和找硼研究工作的進一步擴大，具有重要的科學與經(jīng)濟意義[8]。

1.3 航空航天裝備材料

開展高強、高溫、大規(guī)格鈦合金材料熔煉、加工技術研究，加快高強鋁合金純凈化冶煉與凝固技術研究，提升新型輕合金材料整體工藝技術水平是發(fā)展航空航天裝備材料的要求。同時，應加快特種稀土合金在航空航天中的應用，加快增材制造鈦合金材料在航空結構件領域的應用驗證。鈦合金在航空航天裝備材料中得到了廣泛應用。

鈦合金比不銹鋼、鎂鋁合金等低溫工程材料，有更好的低溫韌性、更高的比強度，且低溫下有熱傳導率低、膨脹系數(shù)小、無磁性及耐蝕性能好等優(yōu)異綜合性能。宇航器構件要求其制造材料在低溫下具有高強度的同時還需保持良好的韌性和低的熱物性能參數(shù)，有良好的可加工性，所以鈦合金在航天、超導等領域作為一種重要的低溫工程材料應用越來越廣[9]。

鈦，具強烈親氧性，是我國的重要的戰(zhàn)略資源。它常與鐵共生并多以氧化物或鈦酸鹽的形式存在。在現(xiàn)有技術水平與經(jīng)濟條件下，有利用價值的鈦礦物主要是鈦鐵礦和金紅石[10]。中國鈦資源儲量居世界第一位，我國的主要鈦礦床為原生釩鈦磁鐵礦，約占94%，鈦鐵礦砂礦、金紅石巖礦和砂礦分別約占4%、1.5%和0.5%[10]。

中國主要的鈦鐵礦資源可分為鈦鐵礦砂礦和鈦鐵礦巖礦。鈦鐵礦砂礦資源分布較分散，規(guī)模小，品位低；鈦鐵礦巖礦主要為釩鈦磁鐵礦。原生金紅石礦和金紅石砂礦為中國金紅石資源的兩個類型。原生礦石品位低，礦物組成復雜、嵌布關系緊密為目前發(fā)現(xiàn)的金紅石資源現(xiàn)狀。金紅石砂礦可劃分為殘坡積型砂礦和海濱砂礦。河南、山東、湖北、湖南等省主要賦存殘坡積型金紅石砂礦，而海濱砂礦則主要分布在海南、廣東、廣西等省(區(qū))[11]?？傮w來講，我國金紅石巖礦和砂礦資源少，鈦資源豐富但缺乏優(yōu)質礦石，提高選冶技術，降低選冶成本是當務之急。

1.4 海洋工程裝備及高技術船舶用材料

高強、特厚是海洋工程裝備及高技術船舶材料的主要方向，對高強度雙相不銹鋼寬厚板、高止裂厚鋼板、船用殷瓦鋼及專用高強度聚氨酯絕熱材料產(chǎn)業(yè)化技術開發(fā)，可以在液化天然氣(LNG)船、超大型集裝箱船等高技術船舶上廣泛應用。

性能優(yōu)異的聚氨酯保溫材料，現(xiàn)已被稱為第五大塑料，目前在國際上，聚氨酯保溫材料被稱為性能最好的保溫材料。質量輕、導熱系數(shù)低、耐老化、容易與其他基材黏結、燃燒不產(chǎn)生熔滴等優(yōu)異性能是硬質聚氨酯最顯著的特點。在歐美等發(fā)達國家聚氨酯材料作為建筑保溫材料約占49%，并大量應用于墻體、地板、門窗等，而在我國這一比例尚不足10%。

1.5 先進軌道交通裝備材料

先進軌道交通裝備材料要求對車輪、車軸及轉向架用鋼的強度、耐磨性與疲勞壽命進行提升并實現(xiàn)批量生產(chǎn)，同時對高速軌道交通需求材料的技術規(guī)范具有較高的要求。加快碳纖維復合材料在高鐵車頭等領域的推廣以及實現(xiàn)將稀土磁性材料應用于高鐵永磁電機是目前該領域的主要關注點。

該項材料所需的稀土磁性材料已在第二種材料——高檔數(shù)控機床和機器人材料中介紹，在此不再冗述。

碳纖維是一種新型纖維材料，同樣也屬于新一代增強纖維。碳纖維的特點為高強度、高模量，其含碳量在95%以上，是在沿纖維軸向的方向上，通過有機纖維如片狀石墨微晶等的相互堆砌，經(jīng)碳化及石墨化，最后形成的微晶石墨材料[12]。

石墨是一種重要的無機非金屬材料，與碳元素互為同素異形體。石墨在變質礦床中廣泛存在，發(fā)生的變質作用多為區(qū)域變質作用，形成的條件一般為高溫。晶質和隱晶質石墨是天然石墨兩種類型。鱗片越大，性能越好，其經(jīng)濟價值愈高是晶質石墨的特點，同時，它又被稱為鱗片狀石墨。中國石墨儲量為5 500萬t，占全球儲量的22%[13]。在我國，石墨資源分布較廣，其中晶質石墨分布在17個省(區(qū))，黑龍江和山東既蘊藏著豐富的晶質石墨同樣也包含著豐富的鱗片石墨資源。

采富棄貧、濫采亂掘、管理水平低下、粗放經(jīng)營等行為，是國內(nèi)石墨資源所面臨的重大問題。尤其是在20世紀90年代，石墨原料生產(chǎn)過剩而使得大量的優(yōu)質鱗片石墨原料被長期低價出口，這些現(xiàn)象都是源于“鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)”小石墨礦的暴增。如果仍然照著我國現(xiàn)存的幾百家石墨企業(yè)的開采方式和速度，據(jù)估計，石墨資源將在20年內(nèi)被消耗完全[14]。

1.6 節(jié)能與新能源汽車材料

提升鎳鈷錳酸鋰/鎳鈷鋁酸鋰、富鋰錳基等材料性能是節(jié)能與新能源汽車材料的首要任務，當前鋰、鈷等礦產(chǎn)資源廣泛用于節(jié)能與新能源汽車材料之中。

鋰由于其獨特的物理、化學性質，在儲能、節(jié)能和產(chǎn)能領域均發(fā)揮著重要作用，因而被稱為21世紀的金屬、能源金屬的典型代表。能源金屬礦產(chǎn)，指的是可在能源領域發(fā)揮重要作用的金屬礦產(chǎn)資源，包括鈾、釷等眾所周知的金屬礦產(chǎn)。鋰被廣泛認可為“21世紀的能源金屬”[15-19]。全球鋰資源并不稀缺，其中，鋰資源最豐富的國家有智利、玻利維亞、中國、澳大利亞等。就目前而言，整體還是以鹵水型和偉晶巖型的鋰礦為主體，沉積型等新類型鋰礦的比重很小[20]。我國鋰礦資源豐富，以硬巖型為主，鹽湖鋰礦雖然儲量巨大，但開發(fā)利用技術尚待發(fā)展。我國鹽湖中潛在的鋰資源量遠遠大于賦存在花崗巖或花崗偉晶巖中的鋰礦資源，但開發(fā)方面存在較大難度，鹵水具高鎂鋰比[21]。在世界范圍內(nèi)，鹽湖鹵水鋰資源在總鋰資源儲量中所占的比例達到80%以上[22]。

鈷的物理、化學和機械性能優(yōu)良，是我國的重要戰(zhàn)略金屬，其作為重要的原料廣泛應用于耐高溫、耐腐蝕、高強度和強磁性等材料的生產(chǎn)過程中，因此，在全球范圍內(nèi)應用十分廣泛[23]。國外鈷資源豐富，儲量約為520萬t，但絕大部分產(chǎn)在風化型紅土鎳礦、巖漿型硫化銅鎳礦和沉積型砂巖銅礦之中。與國外相比，中國鈷資源緊缺[24]，目前現(xiàn)狀是分布地區(qū)較廣、儲量小、品位低、貧礦多、富礦少、伴生成礦多、獨立成礦少[25]。未來我國應該加強鈷礦勘查，重視對國外鈷資源及海洋鈷資源的利用，同時提高再生資源利用率。

1.7 電力裝備材料

突破大尺寸碳化硅單晶及襯底、外延制備及模塊封裝材料技術，發(fā)展高性能絕緣陶瓷，保障特高壓直流電網(wǎng)建設，是面向智能輸變電裝備領域的主要目標。

以色列科學家研制出一種新型高溫的陶瓷絕緣材料[26]。新型陶瓷泡沫，這種材料的絕緣能力超強，因為它的內(nèi)部有著豐富的氣泡，氧化鋁是它的主要成分，屬于普通的耐高溫陶瓷。陶瓷泡沫可用來吸收空氣中的污染物、隔音等，因其低密度可存在于對重量有很高要求的應用方式中。可將氧化鋁陶瓷分為高純型與普通型。Al2O3含量在高純型氧化鋁陶瓷中占99.9%，可用作集成電路基板與高頻絕緣材料應用于電子工業(yè)中。

鋁是世界上最廣泛應用的金屬之一，僅次于鋼鐵的第二大金屬。鋁土礦是生產(chǎn)金屬鋁的主要原料。沉積型和紅土型為全球鋁土礦床的兩大類型。除這兩大類之外，中國還增加了堆積型鋁土礦。中國鋁土礦儲量居世界第7位，僅占世界鋁土礦儲量的2.86%。國內(nèi)優(yōu)質鋁土礦資源短缺，2012年中國鋁土礦對外依存度高達50%，資源供應能力面臨較大壓力[27]。

我國鋁土礦以大中型礦床居多，保有資源儲量占全國保有資源儲量的90%，主要礦床類型為沉積型，其次是堆積型(分布于廣西)和紅土型(分布于海南)[28]。我國鋁土礦質量較差，高鋁硅比的礦石數(shù)量少，礦石的平均品位較低且多為加工難度大的一水硬鋁石[29]，多采用燒結法或是混聯(lián)法，能耗高，導致氧化鋁的生產(chǎn)成本比國外高，企業(yè)的國際競爭力低下。

1.8 農(nóng)機裝備材料

為滿足農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境及特種裝備需求，應開展高強高硬耐磨鋼系列化產(chǎn)品開發(fā)。耐磨鋼主要有高合金的高錳鋼和低、中合金耐磨鋼。高錳鋼的耐磨條件多且高，所以它逐漸被其他耐磨材料所代替，原因是它容易發(fā)生變形、屈服強度低；低、中合金耐磨鋼是很有發(fā)展前途的一類耐磨材料，合金含量較低，所加合金元素為Cr、Si、Mn、B、REE等，少含或不含貴重稀缺元素(Ni、Mo)金屬[30]。

上文提及的Si、B、REE等戰(zhàn)略性資源情況已在前面部分介紹。在此只闡述材料所需的Cr和Mn的資源現(xiàn)狀。

美國地質調查局的數(shù)據(jù)顯示[13]，全世界賦存著超過120億t的鉻鐵礦，資源量十分豐富，鉻礦資源豐富的國家，大部分資源質量較好，開采成本低。我國鉻礦查明資源量少，分布不集中，且儲量不斷減少，開發(fā)利用率低下。經(jīng)查明，我國鉻鐵礦資源主要分布于內(nèi)蒙古、西藏、甘肅、青海、新疆5省(區(qū))，約占總量的80%以上，在西藏、新疆、甘肅、青海4個省(區(qū))幾乎分布著所有品位大于32%的富礦。這些省份經(jīng)濟、交通等條件較為落后，位處西部邊緣地區(qū)，運輸路程長且艱難，環(huán)境較惡劣，而且礦體分布不集中且形態(tài)不規(guī)則，對于如何開發(fā)利用這類礦產(chǎn)難度很大[31]。

全球主要錳礦國家的礦的平均品位一般在40%左右。中國錳礦石最主要的特點為“貧、薄、雜、細”。礦石平均品位只有21%，遠低于其他錳礦資源大國[32]。我國南方地區(qū)是大部分錳礦資源的集中地，尤以廣西壯族自治區(qū)和湖南省最多，約占全國錳礦總儲量的50%。沉積或沉積變質型為我國的主要錳礦類型，分布廣，多為薄層的傾斜礦體，產(chǎn)于深部、總體開采技術條件較差是這類礦床的主要特征；我國錳礦石中磷、鐵、硅的含量都較高，但選礦難度大，原因是礦石粒度極小，大多為微粒，隱晶質結構[33]。

1.9 生物醫(yī)藥及高性能醫(yī)療器械材料

為滿足醫(yī)用影像系統(tǒng)關鍵材料的需求，目前正對稀土閃爍晶體、碲鋅鎘晶體及高性能探測器件產(chǎn)業(yè)化的技術開展進一步工作，力求能解決晶體質量性能不穩(wěn)定、成本過高等重要問題。為突破醫(yī)用級鈦粉與鎳鈦合金粉等關鍵原料的制約，目前正極力開發(fā)醫(yī)用增材制造技術。

該項材料所需的所需的鈦、稀土等戰(zhàn)略性資源情況已在前面有所陳述，此處略。

1.10 節(jié)能環(huán)保材料

為實現(xiàn)在節(jié)能環(huán)保重點項目中應用，突破稀土永磁節(jié)能電機應用關鍵技術，需極力開展稀土永磁節(jié)能電機及配套稀土永磁材料、高溫多孔材料、金屬間化合物膜材料，開發(fā)綠色建材部品及新型耐火材料、生物可降解材料等。

該項材料所需的稀土戰(zhàn)略性資源情況已在前面有所陳述，此處略。

膜材料根據(jù)材質，可以分為有機膜和無機膜。有機膜是由高分子材料加工而成，如PVDF、PVC、PES、PS、PP、PE、PAN、芳香族聚酰胺、醋酸纖維素等，由于有機膜過濾精度較高，選擇性大，廣泛應用于水資源領域與工業(yè)特種分離等領域。

新興耐火材料熔點幾乎都會在2 000 ℃以上，最高的碳化鉿以及碳化鉭分別是在3 887 ℃以及3 877 ℃，其耐火的程度也非常之高，故鉿、鉭兩種元素廣泛應用于新型耐火材料。

鉿在地殼的豐度超過了Hg、Nb和U，但提取方法復雜，產(chǎn)量較少，價格昂貴，加之熔點較高，因而被稱為稀有難熔金屬[34]。鉿主要以內(nèi)潛同晶形式分散在鋯礦物中，幾乎不形成獨立礦物。鉿是典型的分散元素，存在于所有的鋯礦物中。即使鋯成類質同像進入某些礦物中去，鉿也隨鋯相應地進入該礦物。不含鋯的礦物均不含鉿，且鉿的含量一般不超過鋯。鉿礦床類型實際上也就是鋯的礦床類型。世界鉿礦床地質工業(yè)類型分為：巖漿型(堿性巖型)、偉晶巖型、海相沉積型、河流沖積型、風化殼及殘坡積型。在我國鉿礦床以其海相(濱海)沉積型最為重要，其次是河流沖積型、風化殼及殘坡積型和偉晶巖型，堿性花崗巖型雖其資源量大，但目前暫難利用[5]。

鈮鉭最主要的特點是耐熱，被稱為稀有高熔點金屬。目前，巴西、澳大利亞、加拿大、中國和非洲一些國家是世界主要鈮鉭精礦生產(chǎn)國。江西、湖南、福建、廣西、廣東、新疆及內(nèi)蒙古等省(區(qū))主要賦存著我國的鉭礦，大中型礦床為鉭礦儲量的高度集中地。在我國，花崗巖型的鉭礦為主要工業(yè)類型為主，占已探明儲量77.3%，這與國外略有不同；其次為花崗偉晶巖型礦床，約占探明儲量的19.4%。我國只有少數(shù)為鉭鈮礦床，大多為鉭鈮與其他礦物的共(伴)生礦床，如鉭、鈮、鋰或鉭、鈮、鎢、錫或鉭、鈮、鈹、鋯、稀土等[5]。

2 五種前沿新材料

2.1 石墨烯

石墨烯是一種新型納米炭材料，自2004年被發(fā)現(xiàn)后便迅速成為炭材料科學和凝聚態(tài)物理領域的又一個研究前沿。導電和導熱性良好以及比表面積較大是其最大的特征，因而廣泛應用于在鋰離子電池材料方面。從石墨烯問世到目前，主要研究工作集中在石墨烯電學性能，特別是集中在用石墨烯制備超級電容器方面。石墨烯具有特殊的二維柔性結構、高的離子和電子導電能力，因此，將其與各種活性材料復合，來提高鋰電池的大電流放電和循環(huán)特性。要想讓石墨烯及其復合電極材料在高容量鋰離子電池及鋰離子電容器領域得到廣泛實際應用，則需將石墨烯及其復合電極材料經(jīng)適當?shù)碾娀瘜W性能改進、使用過程優(yōu)化。石墨烯材料的制備所需的主要礦產(chǎn)為晶質石墨礦產(chǎn)，資源概況已在前文陳述。

2.2 增材制造材料

增材制造俗稱3D打印，可分為高分子材料、金屬材料和陶瓷材料三種成分。高分子材料是增材制造原材料中用量最大、應用范圍最廣、成型方式最多的材料，主要包括高分子絲材、光敏樹脂及高分子粉末3種形式。在金屬材料方面則需要開發(fā)空心粉率低、顆粒粒度差距不大、形狀規(guī)則、所含雜質元素少的高品質鈦合金、鋁合金、高溫合金等金屬粉末。陶瓷方面則需要對氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化鋁、氮化硅等陶瓷粉末、片材料進行研究，得出制備方法。鈦、鋁、硅等幾種資源已在前文介紹。

鋯經(jīng)常存在于鈦礦物(金紅石、鈦鐵礦、榍石、鈣鈦礦)中。鈦也經(jīng)常存在于鋯礦物(鋯石、異性石)中，并形成Ti-Zr礦物(鈦鋯釷礦)。在這些礦物中，元素的含量變化有相當大的范圍，表明Ti與Zr的類質同像。全世界五大洲均發(fā)現(xiàn)有鋯礦資源，主要分布于大洋洲、美洲、亞洲和非洲。中國鋯礦的探明儲量僅50萬t，占全球鋯礦資源的比重不足1%。中國鋯礦資源均為鋯英石礦床，可劃分為鋯英石砂礦和鋯英石硬巖礦兩大類，并按成因又細分為六個亞類，且以硬巖礦儲量占大多數(shù)。這種鋯資源構成，與國外鋯資源構成大部份為鋯英石濱海砂礦有很大的差別[5]。

2.3 納米材料

據(jù)歐盟委員會的定義可知，由基本顆粒組成的粉狀或團塊狀天然或人工材料可稱為納米材料，又可將其分為4類：納米金屬材料、納米非金屬材料、納米高分子材料和納米復合材料。其中，納米非金屬材料可再分為3類：納米陶瓷材料、納米氧化物材料和其他非金屬納米材料。

納米陶瓷、碳納米管、納米刀、納米晶金屬塊體材料、納米石墨烯等領域都有納米材料的出現(xiàn)。在納米材料中，石墨礦產(chǎn)資源意義重大。石墨中一層或若干層碳原子面卷曲形成碳納米管，內(nèi)部中空，外部直徑為幾納米到幾十納米，比重只有鋼的1/6，但強度卻是鋼的100倍。納米刀是石墨制成的短碳納米管。納米石墨烯也是一種碳納米材料，是世界上導電性最好的材料。

傳統(tǒng)陶瓷材料質地較脆，韌性、強度較差，納米陶瓷的產(chǎn)生使陶瓷具有像金屬一樣的柔韌性和可加工性。盡管納米陶瓷仍有許多關鍵技術需要改進，但已經(jīng)得到了在室溫下表現(xiàn)出了良好的韌性甚至在180 ℃經(jīng)受彎曲時而不產(chǎn)生裂紋的納米氟化鈣(CaF2)離子晶體和二氧化鈦(TiO2)陶瓷材料[35]。螢石是自然界的氟化鈣，也是整個氟化工行業(yè)的基礎，隨著世界氟化工的快速發(fā)展，氟化工行業(yè)及其產(chǎn)品具有高性能、高附加值而被譽為“黃金產(chǎn)業(yè)”。我國螢石資源豐富，資源儲量居世界第一。沉積改造和熱液填充為螢石礦床的主要兩大類型，資源量大、品位低為伴生型螢石礦床的主要特點，所以開采價值不大，只能綜合利用。內(nèi)蒙古、貴州和云南主要賦存沉積改造型螢石礦，我國特大型螢石礦床位于天山-興蒙造山系，其資源量達1 000萬t。東南沿海浙江、福建、江西等省主要賦存熱液填充型螢石礦，產(chǎn)地有武夷-云開-臺灣造山系、秦祁昆造山系、揚子陸塊區(qū)、華北陸塊區(qū)和塔里木陸塊區(qū)[36]。

另外，納米鈦與樹脂化合物生成的多種新型涂料有多種優(yōu)越性，如在海水中浸泡10年不破損，并且具有神奇的自我修復與清潔能力。日本和中國臺灣把具有光觸媒作用的活性銳鈦型二氧化鈦用于開發(fā)防污染涂料和空氣凈化涂料。納米鈦是唯一對人體的自神經(jīng)、嗅覺沒有絲毫影響的金屬，用途十分廣泛[37]。

2.4 超導材料

20世紀80年代后期高溫超導的發(fā)現(xiàn)，在全球掀起了一場超導熱，高溫超導材料是釔系，鉍系、鉈系和汞系以及2001年發(fā)現(xiàn)的新導體二硼化鎂。其中最有價值的是鉍系、釔系和二硼化鎂[35]。

“綠色金屬”常用來作為鉍的別稱，隨著經(jīng)濟、科技與環(huán)保意識的提高，鉍廣泛地應用于各大領域。相比于美國、日本、俄羅斯和歐洲等國鉍的短缺，我國的鉍資源卻處于優(yōu)勢地位。中國是世界上最大的鉍資源國、生產(chǎn)國、消費國和貿(mào)易國。但近期由于大規(guī)模不合理開采和出口，導致寶貴的鉍資源流失，優(yōu)勢不再，喪失了話語權。據(jù)美國地質調查局統(tǒng)計[13]，世界鉍資源儲量為37萬t，其中中國儲量為24萬t，約占全世界儲量的64.9%。在各類金屬硫化物礦床中都有鉍的分布，卻未發(fā)現(xiàn)單獨的鉍礦床。它主要回收于鉛銅礦石的副產(chǎn)品中，部分與鎢、鉬、鈷、金、銀、錫和鋅礦伴生。湖南省為鉍資源的高集中分布區(qū)，儲量可達16.52萬t。經(jīng)查明，在我國，有6處儲量在1萬t以上的大中型鉍礦區(qū)，占全國總量的81.5%，有2處特大型鉍礦，占全國總量的58.5%[38]。

釔是稀土的一個種類。我國稀土資源豐富，硼資源豐富但品位相對較低，具體已在前面部分有所陳述。

2.5 極端環(huán)境材料

所謂的極端環(huán)境包括超高溫、超高壓、超高真空、超低溫、超高密度、超高速、超高頻和超強磁場等等。碳纖維、碳納米、復合陶瓷等材料是能夠在以上極端環(huán)境中應用的主要材料，其對應使用的礦產(chǎn)資源為石墨、硼和黏土等。

一款新型碳纖維復合熱塑性工程塑料由美國符合材料生產(chǎn)商RTP于2014年1月中旬推出。該材料被稱為“徹底高性能復合材料”，將逐漸取代鋁、鋅、鎂等金屬。原因是它不僅能夠增強材料的性能，還能保留纖維的完整性。優(yōu)點不僅有高抗沖性，低密度、耐腐蝕、易成型等，而且能夠經(jīng)受高溫、高壓等極端環(huán)境的考驗，在航空、工業(yè)、醫(yī)療、汽車等領域應用前景十分廣闊[39]。

日本科學家研制了出了一種長的、相互連接的碳納米管隨機網(wǎng)絡，使其在-196～1 000 ℃之間都能夠保持黏彈性，其所必須的材料也是石墨資源。

連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料具有抗腐蝕、抗輻照、強度高、韌性好等特點，且在斷裂過程中表現(xiàn)為非脆性斷裂特征，在一些極端服役環(huán)境中體現(xiàn)出不可替代的發(fā)展趨勢，備受世界各國關注。當復合材料出現(xiàn)裂紋后能被迅速填充、愈合裂紋和缺陷，原因是含硼組分能夠快速形成一種流動性氧化物而對裂紋發(fā)生作用。

由于不斷增加飛行速度，更高的服役環(huán)境則擺在了高超聲速飛行器面前。為能夠有效地提高材料耐超高溫能力，可利用高溫陶瓷、紙杯纖維增強超高溫陶瓷復合材料。SiC或SiC復合材料具有非常明顯的耐高溫、耐腐蝕、耐輻照特點與金屬合金形成對比，成為核反應堆中具有應用潛力的材料[40]。

3 礦產(chǎn)資源對新材料的保障程度

美國地質調查局發(fā)布的2017年礦產(chǎn)品摘要報告顯示[13]，鉍、稀土是我國的優(yōu)勢礦產(chǎn)，為我國新材料的研發(fā)與生產(chǎn)及戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了重要的保障；石墨、螢石次之，盡管儲量較大，但石墨濫采亂掘現(xiàn)象嚴重，螢石以低品位伴生型礦產(chǎn)為主，兩個礦種都需要加強管理，提高綜合利用水平；而硼、鈷、鋯鉿等礦產(chǎn)資源則十分緊缺，需合理利用并尋找新的資源(圖2)。我國絕大多數(shù)硼礦資源條件較差，品位較低，加工技術難度大，開采條件惡劣，開發(fā)利用較少；鈷資源對外依存度高，生產(chǎn)成本高，存在產(chǎn)業(yè)結構不合理以及再生鈷資源回收利用率低等問題，急需尋找突破[25]； 中國的鉭礦床規(guī)模小，礦石品位低，嵌布粒度細而分散，多金屬伴生，造成難采、難分、難選、回收率低的問題，另外，由于賦存狀態(tài)差，大規(guī)模露采的礦山較少。中國所規(guī)定的花崗巖型和花崗偉晶巖型鉭鈮礦床儲量計算的最低工業(yè)品位指標：(Ta，Nb)2O5品位0.012%～0.028%[41]。中國大部分鉭鈮礦床品位都接近或略高于最低工業(yè)品位指標。鈮鉭原料供給嚴重不足，一直制約著我國鈮鉭工業(yè)的發(fā)展[42]。我國鋰資源較豐富，近年又在四川甲基卡等地取得了鋰輝石找礦重大突破，同時西藏扎布耶湖的優(yōu)質碳酸鹽型鋰資源令國外羨慕，但與中國高速發(fā)展的剛性拉動相比，國內(nèi)鋰資源遠不能滿足需求。2014年我國鋰礦山產(chǎn)量由2013年的4 700 t 驟降到2 300 t，但消費量大幅增長，致使我國鋰的對外依存度高達74%[20]。尋找高品質的鋰礦資源迫在眉睫。

圖2 2017年度我國部分礦種資源儲量占世界總儲量的比例(資料來源：文獻[14])

4 結 論

礦產(chǎn)資源對新材料的研發(fā)和制造至關重要，稀土、高純石英、晶質石墨、鋰、硼、鉍、鈦等礦產(chǎn)資源對于信息技術、高檔數(shù)控機床和機器人、航空航天等重點應用領域、及納米材料、增材制造等前沿新材料必不可少。

我國稀土、鉍、石墨等資源豐富，應有效保護和有序開發(fā)，確保資源安全，并且應該積極研發(fā)新的、高附加值的制品。對于我國對外依存的較大的硼、鋰、鈷、鈮、鉭、鉿等礦產(chǎn)資源應該立足國內(nèi)，著眼國外，充分利用國內(nèi)國外兩個市場和兩種資源，為我國新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供資源保障。