PDF《自然材料与地球科学1》

先进制造技术(Advanced ManufacturingTechnology,AMT)有望实现人机物间的协同制造,从而为新材料的 精细化靶向制备提供技术支撑. 上述二者正驱动着材料科学从经验式手工制备时代向智 能式工业化时代转变.为此,材料的自然生态属性愈来愈成为材料的设计、制造和使役 等过程中需要考虑的重要因素. 地球在其

46 亿年的波澜壮阔的演化进程中,不仅铸就了其强大的生命动力维持系 统――物质和能量循环系统, 同时也造就了其不竭的内在创造力. 它创造了包括人类在 内的各种生物物种以及整个生态系统,也创造了地球上适合于生命生存的环境和条件. 地球系统不仅包含了材料制备所涉及的各种物料、温压条件和工艺,同时已经并正在合 成着大量的无机材料、有机材料和生物材料.这些材料不仅包含了当今人造材料的各种 功能,同时还具有不可替代的自然生态属性. 向大自然学习(Jay,2013;

 Darmaninetal.,2015;

  Liuetal.,2017),促进 材料科学与地球科学的交叉,发展自然材料学,构建自然材料信息库,以提高人类对新 材料的预测能力和制造能力,成为材料工业化和信息化进程的关键.本文系统综述了地 球系统中自然材料的类型、结构与性能、加工工艺等三方面的研究进展,试图搭建自然 材料学研究构架,为自然材料信息库的建设提供参考.

1、自然材料的类型? 元素是物质组成的基础,而宇宙是元素的合成器.目前已被发现的化学元素有 118 种,除元素周期表中 93-118 号元素的

26 种人工合成元素外,92 种自然元素经历了宇 宙大爆炸、恒星核聚变和中子捕获等

3 个阶段形成的.46 亿年前,地球捕获了喷洒在 太阳系中的自然元素并发生重力和化学分异,最终形成现在地球各圈层中的元素组成 (图1).地核、地幔和地壳分别约占地球质量的 67.2%, 32.4% 和0.4%,而大气圈 和水圈所占的地球质量不足 0.03%.整个地球元素含量: Fe 32.1%,O 30.1%, Si 15.1%, Mg13.9%, S2.9%, Ni1.8%, Ca1.5%,Al1.4%.其中地壳中元素含 量: O46.6%, Si27.7%, Al8.1%, Fe5.0%, Ca3.6%, Na2.8%、K2.6%, Mg2.1%, Ti0.6%, H0.14%,其他占 0.8%(王学求,2018).   图1? 地球不同圈层的元素组成(王学求,2018)? Figure1Chemicalelementsdistributionindifferentspheresofearth 自然材料是元素经地球系统精细演化或合成的、 且可以被人类用于制造物品、 器件、 构件、机器或其他产品的有机物、无机物或其综合体.自然材料与人造材料的区别在于 其是经地球系统自然演化或合成的, 与传统天然材料的区别在于它还包含那些结构组成 信息、功能信息以及合成信息等可被人类利用的材料.一般来讲,自然材料可以分为自 然矿物材料和自然生物材料两大类. 1.1? 自然矿物材料? 自然矿物材料指可被人类利用的天然矿物或岩石(岩浆岩、变质岩和沉积岩),可 分为结构材料和功能材料两类. 目前地球上发现的矿物超过

5000 种 (秦善 等, 2016) . 中国地质科学院所建立的矿物数据库中包括

4399 种矿物 (表1) , 其中: 无机矿物

4364 种,有机矿物

35 种;

硅酸盐矿物种数最多,约占整个矿物种类的 1/4,占地壳总重量 90%. 表1? 矿物种数目统计表? Table1MineralSpeciesinMineralDatabaseofCAGS 矿物种名称 矿物种数目 元素(包括合金) 171 硫化物(包括硫盐) 850 卤化物 165 氧化物(包括 SO3,SeO3,AsO3,TeO3,IO3) 596 碳酸盐(包括硝酸盐) 228 硼酸盐 136 硫酸盐(包括铬酸盐) 338 钨酸盐(包括钼酸盐) 28 硅酸盐(包括锗酸盐) 1140 磷酸盐(包括砷酸盐,钒酸盐) 712 有机物 35 注:数据来源于中国地质科学院全球矿物数据库(http://210.73.59.163/mineral/)  人类对自然矿物材料的利用最早可追溯到石器时代(公元前