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探秘玄武岩纤维新材料：高性能、广应用、促发展的 “宝藏” 材料！

文章来源：贤集网更新时间：2024-11-20 15:32:04

在当今科技飞速发展、日新月异的时代背景下，新材料的不断涌现正如同强劲的动力引擎，有力地推动着各个行业发生深刻变革。尤其是在高科技应用领域，新材料的应用不仅显著提升了产品性能，更为用户带来了前所未有的使用体验。在众多新材料中，玄武岩纤维新材料脱颖而出，以其独特的性能优势和广阔的应用前景，备受各界关注，它或将成为开启未来科技应用新篇章的关键所在，更是契合当下发展新质生产力要求的重要力量。

一、玄武岩新材料的起源与发展概述

玄武岩纤维新材料有着悠久的发展历史渊源，早在 1923 年，美国科学家便首次发现了玄武岩纤维这一材料。它通常呈现出褐色，且带有独特的金属光泽。玄武岩纤维之所以能在众多材料中崭露头角，得益于其优异的综合性能。其化学成分主要包含二氧化硅（SiO?）、氧化铝（Al?O?）和氧化铁（Fe?O?/FeO）等，其中，SiO?的含量约为 45% - 53%，Al?O?约为 12% - 18%，Fe?O?/FeO 含量约为 9% - 15%，这些成分赋予了它极高的机械强度和出色的耐高温性能。此外，还含有少量的氧化镁（MgO）、氧化钙（CaO）、氧化钾（K?O）和氧化钠（Na?O），有助于提升其防水性能与耐腐蚀性能。

历经多年发展，玄武岩纤维已从最初的被发现状态，逐步走向更广泛的应用和深入研究阶段。如今，在我国更是被列为四大重点发展的纤维材料之一，这充分彰显了它在材料领域的重要地位。

二、玄武岩新材料的生产工艺及环保特性

玄武岩纤维（BF）的诞生可谓是大自然的神奇馈赠，它以天然玄武岩石作为原料，开启了独特的“变身”之旅。首先将天然玄武岩石进行破碎处理，随后投入到熔窑之中，经过加热使其达到 1450 - 1500℃的熔融状态，最后借助铂铑合金拉丝漏板进行快速拉制，便能够制作出玄武岩纤维。当下的生产工艺已经相当成熟，生产出的玄武岩纤维直径可达 6 - 13μm，仅仅是头发丝直径的十分之一左右。

尤为值得一提的是，这一生产过程不仅工艺简洁高效，而且在整个流程中不会产生工业废水和废气，是一种典型的绿色制造工艺，真正实现了“点石成金”的奇迹，完美契合了当下环保和可持续发展的时代主题。这种环保特性使得玄武岩纤维在众多材料中独具魅力，从生产源头就占据了绿色发展的优势。

三、玄武岩新材料的卓越性能

力学性能优异：

玄武岩纤维具备极高的抗拉强度和模量，与传统的玻璃纤维（GF）相比更具优势。在实际应用中，这一特性使其在土木工程、交通运输、航空航天等众多领域都有着极为广泛的用武之地。例如，玄武岩纤维增强聚合物（FRP）复合材料被大量应用于桥梁、隧道、高速公路等基础设施建设项目中，能够显著提高结构的安全性和耐久性，为这些基础设施的长期稳定运行提供了坚实保障。

耐高温与耐腐蚀：

玄武岩纤维的工作温度范围相当宽广，从 -269℃到 700℃，无论是高温还是低温环境，它都能够从容应对。其优异的耐酸碱腐蚀性能更是让它在化工、电子等行业表现亮眼。特别是在航空航天领域，面对飞机等飞行设备所处的极端环境，玄武岩纤维的耐高温性能使其成为表面材料的理想之选，能够有效抵御高温带来的各种挑战，确保设备的正常运行。

环保与可持续：

玄武岩纤维的原料来源广泛且成本低廉，它取材于天然玄武岩，属于无机非金属材料，具有环保、可再生的特点。在如今全社会大力倡导绿色、可持续发展的大背景下，这一特性使其相较于传统合成纤维更具优势，在生产和使用过程中对环境的影响较小，很好地符合了可持续发展的理念。不仅如此，玄武岩纤维还能够与可降解聚合物相结合，进而制备出完全环保的复合材料，进一步拓展了自身的应用范围，为环保领域的材料应用提供了更多优质选择。

高性能复合材料：

玄武岩纤维增强复合材料（FRP）在多个领域展现出了巨大的应用潜力。在防弹衣领域，玄武岩纤维凭借其耐高温性能，即便在弹头高温熔灼的恶劣情况下，依然能够保持高强度和模量，从而有效提升防弹效果，为使用者提供可靠的安全防护。在电磁屏蔽领域，通过将 MXene 溶液喷涂到玄武岩纤维织物上，可以制备出具有出色电磁屏蔽性能的复合材料，这种材料特别适用于电子设备的防护，能够有效抵御外界电磁干扰，保障电子设备的正常运行。

其他优异性能：

1.化学稳定性好，抗腐蚀性能强

玄武岩纤维中含有的 K?O、MgO 和 TiO?等成分，对于提高纤维耐化学腐蚀及防水性能起到了至关重要的作用，使其具备良好的化学稳定性和很强的耐酸耐碱性能。与 E 玻璃纤维对比来看，在 3h 沸煮后，纤维质量分数损失情况差异明显，在水中玄武岩纤维仅损失 0.002，而 E 玻璃纤维则损失 0.007；在 2N NaOH 的溶液里两者分别为 0.0275 和 0.06；在 2N HCI 中玄武岩纤维仅损失 0.022，而 E 玻璃纤维则损失 0.389，可见其耐酸性比一般用作耐酸玻璃增强材料的 ECR 玻璃纤维还要高得多。同时，玄武岩纤维也是制造净化工业废气和城市废物处理装置的过滤器的优选材料，在抗生素生产过程中产生的气体也可以用玄武岩纤维进行净化和杀菌，并且在长期使用过程中能够承受强刺激性蒸汽的杀菌作用。

2.隔热性能好，既耐高温又耐低温

玄武岩纤维的热传导系数为 0.031W/m·K - 0.038W/m·K，低于芳纶纤维、硅酸铝纤维、无碱玻纤、岩棉、硅纤维、碳纤维和不锈钢等多种材料。其耐温性和绝热性能优良，不存在热收缩现象，而且绝对不可燃，在加热情况下不会排出任何有害的物质或气体。它的使用温度范围一般为 -269℃ - 700℃，软化点高达 960℃，远远高于玻璃纤维的 -60℃ - 450℃和碳纤维的 500℃最高使用温度。例如，在 500℃下其抗热振稳定性仍保持不变，原始质量分数损失不到 0.02，900℃时也仅损失 0.03；在 600℃工作时，其断后强度仍能保持原始强度的 80%，在 860℃下工作仍不会出现收缩；而耐温性优良的矿棉断后强度只能保持 50% - 60%，碳纤维约在 300℃就会产生 CO 和 CO?，玻璃棉则完全被破坏，芳纶最高使用温度也只有 250℃。基于这些特点，玄武岩纤维可用于制造隔热吸音相结合的结构材料和防火材料，像防火墙、安全防火门、防火服、防火毯、防火帘等阻燃材料，以及其他工业用或民用高层建筑的相关产品。同时，玄武岩纤维在低温技术中也有着出色表现，可用作高效隔热保温材料，比如用直径为 1 - 3 微米的超细玄武岩纤维（密度为 140kg/m³）制造的隔热保温材料，在 -196℃条件下，导热系数为 0.026 Kcal/m·h·℃，在该条件下液态氮介质中浸泡后，纤维强度无降低现象，所以生产液氧、液氮的厂家长期使用玄武岩纤维制造的隔热保温材料，在航天、航空及极地考察所需的材料中，玄武岩纤维材料也具有不可替代的重要性。

3.介电系数高，绝缘性能好

玄武岩纤维的体积比电阻（体积电阻率）为 1x10¹² 欧姆·米，比 E 玻璃纤维高一个数量级，具备良好的介电性能和高绝缘特性。凭借这一介电特性以及吸湿率低、耐温好的特点，它能够用于制造仪器仪表、电动机及各种电器中的附件（如齿轮、轴承、密封件等），有助于减轻自身质量并提高其可靠性，延长使用寿命；还可以用来制成高质量印刷电路板，以及风力发电叶片的增强材料。经过专门浸润剂处理过的玄武岩纤维，其介电损耗角正切比一般玻璃纤维还低 50%，可用于制造新型耐热介电材料，制造高压（250 千伏）和低压（500 伏）设备的电绝缘材料，如高压输电线、天线整流罩，雷达及其他无线电设备等。

4.良好的透波性能和吸波性能

玄武岩纤维中含有 0.2 质量分数的金属氧化物，可能是氧化铁、氧化钛成分，使其具备了良好的透波性和一定的吸波性。并且，如果进一步调整成分，在树脂体系内再添加吸收剂或吸波涂层，还有望获得更好的吸波性能。例如，用 CBF 增强树脂制成 180×180 mm 标准板，厚度为 4mm，树脂体系采用 HD03，在 8GHZ - 18GHZ 下进行测试，结果发现该材料未加任何其他吸波隐身材料就已经具有一定的吸波性能。

5.吸音系数高，隔音效果好

玄武岩纤维的吸音系数为 0.9 - 0.99，其材料本身具有多孔结构，当声音穿过时，摩擦力会增大，从而能够有效阻止声音的传播，具备出色的吸音隔音性能，同时隐身性能也较好，可用于制作隐身材料。比如玄武岩纤维缝编材料在公交汽车制造业的应用，就明显地改善了马达的声音，提高了马达的工作能力。

6.吸湿性低，与水泥相容性好

玄武岩纤维的吸湿性低于 0.1%，比玻璃纤维吸湿率低 6 - 8 倍，具有较强的防渗抗裂功效，同时在腐蚀性介质（酸、碱、盐溶液中）中，表现出高耐蚀性和高化学稳定性，尤其是在碱性溶液中有独特的化学稳定性，并且与水泥、混凝土热胀冷缩系数一致，相容性好，结合力、握裹力强，对于增强水泥混凝土结构有着无可替代的优势。这一特性为其在桥梁、隧道、堤坝、楼板等各类混凝土结构的增强，以及沥青混凝土路面，机场飞机起落跑道的增强和其他易受潮湿、盐类与碱性混凝土介质腐蚀而导致金属钢筋腐蚀的建筑构件中的应用，开辟了广阔的前景。

四、玄武岩新材料的表面改性技术

尽管玄武岩纤维本身已经具备诸多优势，但不可忽视的是，其光滑表面和化学惰性导致它与基质材料之间的界面黏附较差，这在一定程度上影响了复合材料的整体性能。为了解决这一问题，科研人员投入了大量精力，开发出了一系列表面改性技术，包括纳米改性、偶联剂改性、酸碱化学刻蚀法和等离子体冲击刻蚀法等。

这些技术通过化学或物理手段对玄武岩纤维的光滑表面进行破坏处理，从而增加了其与基质材料的接触面积以及结合力，经过改性后的玄武岩纤维，能够显著提高复合材料的力学性能和功能性，进一步拓展了玄武岩纤维在更多复杂应用场景中的使用可能性，使其能够更好地满足不同领域对于高性能复合材料的严格要求。

五、玄武岩新材料的广泛应用

玄武岩纤维的主要产品有原丝、无捻粗纱和加捻纱等，它不仅表面光滑，手感柔软，对人体无害，是纯环保纤维、纺织原材料，而且可以作为增强体来制成各种新型复合材料。玄武岩复合材料具备耐酸碱、无放射性、膨胀系数小、可锯可磨性好、光洁度高、细腻等诸多优点，能够替代钢材、玻璃纤维等材料，综合性能好且性价比高，这是其他纤维材料难以比拟的。

正是凭借这些独特优势，玄武岩纤维在众多领域都有着独特的应用前景：

航天、航空领域：在制造航天、航空器时，需要大量轻型、韧性足、坚实、耐高温、耐低温且抗腐蚀的材料，玄武岩纤维正好契合这些要求，能够应用于飞行器的结构件、高温高压等恶劣环境下的密封件以及隔热材料等关键部位，为航天、航空事业的发展提供有力支撑。

石油化工领域：面对石油化工行业存在的腐蚀、老化、污染等问题，玄武岩纤维凭借其抗腐蚀、防老化、寿命长、防污染的特性，成为相关设备和设施制造的理想材料，有助于延长设备使用寿命，保障生产过程的安全与稳定。

海洋领域：在海洋工程、海洋设施以及轮船、舰艇、桅杆、管道、缆绳、渔网等方面，玄武岩纤维的隐形、抗腐蚀、抗干扰等特点能够使其很好地适应海洋复杂且恶劣的环境，发挥重要作用，提升海洋装备的性能和使用寿命。

交通领域：无论是水陆空哪种立体交通方式，包括交通道路（公路、铁路）、交通设施（桥梁、隧道等）、交通工具（车辆、船只、飞机等），玄武岩纤维都有用武之地。例如在汽车制造中，它可以用于制造车身、底盘等结构件，提高汽车的强度和耐久性，同时还能制造汽车的轻量化部件，降低汽车重量和油耗，提高燃油经济性；在铁路、桥梁等基础设施建设中，也能增强结构稳定性，保障交通安全。

建筑领域：作为新型绿色材料，玄武岩纤维无毒无污染，质轻坚固，具备隔音隔热、保温保暖、防火、防震等多种功能，可用于制造环保型建筑材料，如隔音板、隔热板等，提高建筑的节能性能和环保性能，为打造绿色、舒适、安全的建筑环境贡献力量。

环保领域：由于无污染且抗腐蚀，玄武岩纤维成为各种过滤网的优选材料，可应用于空气净化、污水处理等多个环保环节，助力环境保护事业的发展，有效提升环境治理效果。

其他领域：像农业绿色大棚支架，体育器材（如钓鱼竿、高尔夫球杆等）等方面，玄武岩纤维也凭借其独特性能得到了广泛应用，为这些领域的产品性能提升提供了有力保障。

六、玄武岩新材料与新质生产力及产业发展

发展玄武岩新材料是提升新质生产力的重要途径：

在各地积极践行关于发展新质生产力的理念过程中，努力破除传统观念，改变传统生产方式，通过创新驱动创业，进而推动发展，因地制宜地打造新产业成为重要举措。玄武岩新材料产业在此背景下受到了普遍关注，被认为是发展新质生产力的关键途径之一。

玄武岩作为火山喷发形成的基性火山岩（喷出岩），在地球上分布极为广泛，常以火山锥、碎屑流、熔岩流、熔岩席等产状展布，不仅广泛存在于海底和陆地、岛屿，甚至在月球、火星等其他星球也有分布。其化学成分属于硅酸盐类，主要由 SiO?、TiO? 、Al?O?、Fe?O? /FeO、MgO、CaO、K?O、Na?O、P?O?等氧化物及挥发分和其他微量元素化合物组成，并且可分为碱性玄武岩、钙碱性玄武岩、拉斑玄武岩和高铝玄武岩等岩石系列。

通过选择合适类型的玄武岩，将其粉碎后在特定的高温窑炉中熔融，再经过相应工艺流程，就能够拉成丝，通常称为连续玄武岩纤维（continue basalt fiber CBF），还可以制成岩棉和鳞片。玄武岩纤维、岩棉、鳞片这三大类材料，具有性能好、用途广、性价比高、无污染、无碳排放等显著优势，被广泛应用于航天、航空、国防、海洋、交通、建筑、环保、消防等众多领域。比如嫦娥六号在月球上展示的五星红旗就是采用玄武岩纤维材料制成的，它能够很好地适应月球表面恶劣环境，并长期保持完好，这充分展示了玄武岩纤维强大的环境适应性和高性能。

与其他纤维相比，玄武岩纤维及其复合材料具备力学强度高、物理和化学性能好等特点，可以用来制作高端产品，即便与价格昂贵的碳纤维相比，二者的综合性能也不相上下，甚至有些性能还要优于碳纤维，而从成本角度来看，按照现在的市场价，玄武岩纤维不及碳纤维的十分之一，是一种低成本、高性能、洁净程度理想的新纤维。美国德州的玄武岩连续纤维工业联盟也指出，玄武岩连续纤维是碳纤维的低价替代品，具有一系列优异性能，尤为重要的是，它取自天然矿石且无任何添加剂，是迄今为止唯一无环境污染、不致癌的绿色健康玻璃质纤维产品，拥有广阔的市场需求和应用前景，极有可能替代钢铁等金属材料，进而引发一场材料领域的重大变革。

玄武岩新材料的产业发展前景与政策支持：

玄武岩材料产业从原料的寻找、开采，到加工、运输，再到纤维、岩棉、鳞片等新型材料的生产，以及实用产品的开发研制、加工，乃至智能化、集约化新技术的应用和市场运作等环节，能够形成一条十分广阔的产业链，众多相关企业可以结成大的产业联盟。这种新产业所具备的形成广泛产业链的能力，预示着其拥有广阔的发展空间。

国家对玄武岩新材料这一新型材料给予了高度重视，在国家中长期科学和技术发展规划纲要 (2006 -2020年)以及相关产业政策中，都将玄武岩新材料列为重点扶持和鼓励发展的对象。从科研项目立项来看，政府不断加大对玄武岩新材料基础研究、应用开发等方面的资金投入，鼓励高校、科研院所与企业开展产学研合作，旨在攻克更多关键技术难题，提升玄武岩新材料的性能和品质，拓展其应用范围。

在税收政策方面，对于从事玄武岩新材料研发、生产的企业给予相应的税收优惠，例如减免部分企业所得税、增值税等，减轻企业负担，激励企业加大生产规模和创新投入，加快产业的规模化发展。同时，在土地使用政策上，对于建设玄武岩新材料产业园区等项目，优先保障土地供应，并且给予一定的土地使用优惠，为产业的集聚发展创造良好条件。

各地政府也积极响应，根据自身的玄武岩资源分布情况以及产业基础，制定了因地制宜的地方政策。一些玄武岩资源丰富的地区，纷纷规划建设玄武岩新材料产业基地，引进先进的生产设备和技术人才，打造区域特色产业集群。通过举办玄武岩新材料产业研讨会、招商会等活动，加强对外交流与合作，吸引更多的投资和资源汇聚，提升本地玄武岩新材料产业在全国乃至全球的影响力。

在市场需求方面，随着人们对绿色、环保、高性能材料的关注度日益提升，各行各业对于玄武岩新材料的需求呈现出快速增长的趋势。在建筑领域，越来越多的绿色建筑项目主动选用玄武岩纤维制成的保温隔热、隔音防火等建筑材料，以满足建筑节能和环保要求；在交通行业，无论是城市轨道交通建设，还是新能源汽车的轻量化发展，玄武岩纤维都备受青睐，用于增强结构强度和提升产品性能。这种市场需求的持续增长，为玄武岩新材料产业的蓬勃发展提供了强大的内在动力。

此外，国际合作也为玄武岩新材料产业带来了新的机遇。我国的玄武岩新材料凭借其优异的性能和性价比优势，逐渐在国际市场上崭露头角，与国外众多企业达成合作意向，产品出口量逐年增加。同时，通过与国外科研机构的合作交流，能够及时掌握国际前沿技术动态，引进先进的生产管理经验，进一步提升我国玄武岩新材料产业的国际竞争力，推动产业向高端化、国际化方向迈进。

总之，玄武岩新材料凭借其卓越的性能、广泛的应用前景以及契合新质生产力发展要求等优势，在国家政策的大力支持和市场需求的有力拉动下，正迎来产业发展的黄金时期，有望在未来的材料领域发挥更为重要的作用，为我国乃至全球的经济发展、科技创新以及绿色可持续发展做出更大的贡献。

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