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探秘玄武巖纖維新材料：高性能、廣應用、促發展的 “寶藏” 材料！

文章來源：賢集網更新時間：2024-11-20 15:32:04

在當今科技飛速發展、日新月異的時代背景下，新材料的不斷涌現正如同強勁的動力引擎，有力地推動著各個行業發生深刻變革。尤其是在高科技應用領域，新材料的應用不僅顯著提升了產品性能，更為用戶帶來了前所未有的使用體驗。在眾多新材料中，玄武巖纖維新材料脫穎而出，以其獨特的性能優勢和廣闊的應用前景，備受各界關注，它或將成為開啟未來科技應用新篇章的關鍵所在，更是契合當下發展新質生產力要求的重要力量。

一、玄武巖新材料的起源與發展概述

玄武巖纖維新材料有著悠久的發展歷史淵源，早在 1923 年，美國科學家便首次發現了玄武巖纖維這一材料。它通常呈現出褐色，且帶有獨特的金屬光澤。玄武巖纖維之所以能在眾多材料中嶄露頭角，得益于其優異的綜合性能。其化學成分主要包含二氧化硅（SiO?）、氧化鋁（Al?O?）和氧化鐵（Fe?O?/FeO）等，其中，SiO?的含量約為 45% - 53%，Al?O?約為 12% - 18%，Fe?O?/FeO 含量約為 9% - 15%，這些成分賦予了它極高的機械強度和出色的耐高溫性能。此外，還含有少量的氧化鎂（MgO）、氧化鈣（CaO）、氧化鉀（K?O）和氧化鈉（Na?O），有助于提升其防水性能與耐腐蝕性能。

歷經多年發展，玄武巖纖維已從最初的被發現狀態，逐步走向更廣泛的應用和深入研究階段。如今，在我國更是被列為四大重點發展的纖維材料之一，這充分彰顯了它在材料領域的重要地位。

二、玄武巖新材料的生產工藝及環保特性

玄武巖纖維（BF）的誕生可謂是大自然的神奇饋贈，它以天然玄武巖石作為原料，開啟了獨特的“變身”之旅。首先將天然玄武巖石進行破碎處理，隨后投入到熔窯之中，經過加熱使其達到 1450 - 1500℃的熔融狀態，最后借助鉑銠合金拉絲漏板進行快速拉制，便能夠制作出玄武巖纖維。當下的生產工藝已經相當成熟，生產出的玄武巖纖維直徑可達 6 - 13μm，僅僅是頭發絲直徑的十分之一左右。

尤為值得一提的是，這一生產過程不僅工藝簡潔高效，而且在整個流程中不會產生工業廢水和廢氣，是一種典型的綠色制造工藝，真正實現了“點石成金”的奇跡，完美契合了當下環保和可持續發展的時代主題。這種環保特性使得玄武巖纖維在眾多材料中獨具魅力，從生產源頭就占據了綠色發展的優勢。

三、玄武巖新材料的卓越性能

力學性能優異：

玄武巖纖維具備極高的抗拉強度和模量，與傳統的玻璃纖維（GF）相比更具優勢。在實際應用中，這一特性使其在土木工程、交通運輸、航空航天等眾多領域都有著極為廣泛的用武之地。例如，玄武巖纖維增強聚合物（FRP）復合材料被大量應用于橋梁、隧道、高速公路等基礎設施建設項目中，能夠顯著提高結構的安全性和耐久性，為這些基礎設施的長期穩定運行提供了堅實保障。

耐高溫與耐腐蝕：

玄武巖纖維的工作溫度范圍相當寬廣，從 -269℃到 700℃，無論是高溫還是低溫環境，它都能夠從容應對。其優異的耐酸堿腐蝕性能更是讓它在化工、電子等行業表現亮眼。特別是在航空航天領域，面對飛機等飛行設備所處的極端環境，玄武巖纖維的耐高溫性能使其成為表面材料的理想之選，能夠有效抵御高溫帶來的各種挑戰，確保設備的正常運行。

環保與可持續：

玄武巖纖維的原料來源廣泛且成本低廉，它取材于天然玄武巖，屬于無機非金屬材料，具有環保、可再生的特點。在如今全社會大力倡導綠色、可持續發展的大背景下，這一特性使其相較于傳統合成纖維更具優勢，在生產和使用過程中對環境的影響較小，很好地符合了可持續發展的理念。不僅如此，玄武巖纖維還能夠與可降解聚合物相結合，進而制備出完全環保的復合材料，進一步拓展了自身的應用范圍，為環保領域的材料應用提供了更多優質選擇。

高性能復合材料：

玄武巖纖維增強復合材料（FRP）在多個領域展現出了巨大的應用潛力。在防彈衣領域，玄武巖纖維憑借其耐高溫性能，即便在彈頭高溫熔灼的惡劣情況下，依然能夠保持高強度和模量，從而有效提升防彈效果，為使用者提供可靠的安全防護。在電磁屏蔽領域，通過將 MXene 溶液噴涂到玄武巖纖維織物上，可以制備出具有出色電磁屏蔽性能的復合材料，這種材料特別適用于電子設備的防護，能夠有效抵御外界電磁干擾，保障電子設備的正常運行。

其他優異性能：

1.化學穩定性好，抗腐蝕性能強

玄武巖纖維中含有的 K?O、MgO 和 TiO?等成分，對于提高纖維耐化學腐蝕及防水性能起到了至關重要的作用，使其具備良好的化學穩定性和很強的耐酸耐堿性能。與 E 玻璃纖維對比來看，在 3h 沸煮后，纖維質量分數損失情況差異明顯，在水中玄武巖纖維僅損失 0.002，而 E 玻璃纖維則損失 0.007；在 2N NaOH 的溶液里兩者分別為 0.0275 和 0.06；在 2N HCI 中玄武巖纖維僅損失 0.022，而 E 玻璃纖維則損失 0.389，可見其耐酸性比一般用作耐酸玻璃增強材料的 ECR 玻璃纖維還要高得多。同時，玄武巖纖維也是制造凈化工業廢氣和城市廢物處理裝置的過濾器的優選材料，在抗生素生產過程中產生的氣體也可以用玄武巖纖維進行凈化和殺菌，并且在長期使用過程中能夠承受強刺激性蒸汽的殺菌作用。

2.隔熱性能好，既耐高溫又耐低溫

玄武巖纖維的熱傳導系數為 0.031W/m·K - 0.038W/m·K，低于芳綸纖維、硅酸鋁纖維、無堿玻纖、巖棉、硅纖維、碳纖維和不銹鋼等多種材料。其耐溫性和絕熱性能優良，不存在熱收縮現象，而且絕對不可燃，在加熱情況下不會排出任何有害的物質或氣體。它的使用溫度范圍一般為 -269℃ - 700℃，軟化點高達 960℃，遠遠高于玻璃纖維的 -60℃ - 450℃和碳纖維的 500℃最高使用溫度。例如，在 500℃下其抗熱振穩定性仍保持不變，原始質量分數損失不到 0.02，900℃時也僅損失 0.03；在 600℃工作時，其斷后強度仍能保持原始強度的 80%，在 860℃下工作仍不會出現收縮；而耐溫性優良的礦棉斷后強度只能保持 50% - 60%，碳纖維約在 300℃就會產生 CO 和 CO?，玻璃棉則完全被破壞，芳綸最高使用溫度也只有 250℃。基于這些特點，玄武巖纖維可用于制造隔熱吸音相結合的結構材料和防火材料，像防火墻、安全防火門、防火服、防火毯、防火簾等阻燃材料，以及其他工業用或民用高層建筑的相關產品。同時，玄武巖纖維在低溫技術中也有著出色表現，可用作高效隔熱保溫材料，比如用直徑為 1 - 3 微米的超細玄武巖纖維（密度為 140kg/m³）制造的隔熱保溫材料，在 -196℃條件下，導熱系數為 0.026 Kcal/m·h·℃，在該條件下液態氮介質中浸泡后，纖維強度無降低現象，所以生產液氧、液氮的廠家長期使用玄武巖纖維制造的隔熱保溫材料，在航天、航空及極地考察所需的材料中，玄武巖纖維材料也具有不可替代的重要性。

3.介電系數高，絕緣性能好

玄武巖纖維的體積比電阻（體積電阻率）為 1x10¹² 歐姆·米，比 E 玻璃纖維高一個數量級，具備良好的介電性能和高絕緣特性。憑借這一介電特性以及吸濕率低、耐溫好的特點，它能夠用于制造儀器儀表、電動機及各種電器中的附件（如齒輪、軸承、密封件等），有助于減輕自身質量并提高其可靠性，延長使用壽命；還可以用來制成高質量印刷電路板，以及風力發電葉片的增強材料。經過專門浸潤劑處理過的玄武巖纖維，其介電損耗角正切比一般玻璃纖維還低 50%，可用于制造新型耐熱介電材料，制造高壓（250 千伏）和低壓（500 伏）設備的電絕緣材料，如高壓輸電線、天線整流罩，雷達及其他無線電設備等。

4.良好的透波性能和吸波性能

玄武巖纖維中含有 0.2 質量分數的金屬氧化物，可能是氧化鐵、氧化鈦成分，使其具備了良好的透波性和一定的吸波性。并且，如果進一步調整成分，在樹脂體系內再添加吸收劑或吸波涂層，還有望獲得更好的吸波性能。例如，用 CBF 增強樹脂制成 180×180 mm 標準板，厚度為 4mm，樹脂體系采用 HD03，在 8GHZ - 18GHZ 下進行測試，結果發現該材料未加任何其他吸波隱身材料就已經具有一定的吸波性能。

5.吸音系數高，隔音效果好

玄武巖纖維的吸音系數為 0.9 - 0.99，其材料本身具有多孔結構，當聲音穿過時，摩擦力會增大，從而能夠有效阻止聲音的傳播，具備出色的吸音隔音性能，同時隱身性能也較好，可用于制作隱身材料。比如玄武巖纖維縫編材料在公交汽車制造業的應用，就明顯地改善了馬達的聲音，提高了馬達的工作能力。

6.吸濕性低，與水泥相容性好

玄武巖纖維的吸濕性低于 0.1%，比玻璃纖維吸濕率低 6 - 8 倍，具有較強的防滲抗裂功效，同時在腐蝕性介質（酸、堿、鹽溶液中）中，表現出高耐蝕性和高化學穩定性，尤其是在堿性溶液中有獨特的化學穩定性，并且與水泥、混凝土熱脹冷縮系數一致，相容性好，結合力、握裹力強，對于增強水泥混凝土結構有著無可替代的優勢。這一特性為其在橋梁、隧道、堤壩、樓板等各類混凝土結構的增強，以及瀝青混凝土路面，機場飛機起落跑道的增強和其他易受潮濕、鹽類與堿性混凝土介質腐蝕而導致金屬鋼筋腐蝕的建筑構件中的應用，開辟了廣闊的前景。

四、玄武巖新材料的表面改性技術

盡管玄武巖纖維本身已經具備諸多優勢，但不可忽視的是，其光滑表面和化學惰性導致它與基質材料之間的界面黏附較差，這在一定程度上影響了復合材料的整體性能。為了解決這一問題，科研人員投入了大量精力，開發出了一系列表面改性技術，包括納米改性、偶聯劑改性、酸堿化學刻蝕法和等離子體沖擊刻蝕法等。

這些技術通過化學或物理手段對玄武巖纖維的光滑表面進行破壞處理，從而增加了其與基質材料的接觸面積以及結合力，經過改性后的玄武巖纖維，能夠顯著提高復合材料的力學性能和功能性，進一步拓展了玄武巖纖維在更多復雜應用場景中的使用可能性，使其能夠更好地滿足不同領域對于高性能復合材料的嚴格要求。

五、玄武巖新材料的廣泛應用

玄武巖纖維的主要產品有原絲、無捻粗紗和加捻紗等，它不僅表面光滑，手感柔軟，對人體無害，是純環保纖維、紡織原材料，而且可以作為增強體來制成各種新型復合材料。玄武巖復合材料具備耐酸堿、無放射性、膨脹系數小、可鋸可磨性好、光潔度高、細膩等諸多優點，能夠替代鋼材、玻璃纖維等材料，綜合性能好且性價比高，這是其他纖維材料難以比擬的。

正是憑借這些獨特優勢，玄武巖纖維在眾多領域都有著獨特的應用前景：

航天、航空領域：在制造航天、航空器時，需要大量輕型、韌性足、堅實、耐高溫、耐低溫且抗腐蝕的材料，玄武巖纖維正好契合這些要求，能夠應用于飛行器的結構件、高溫高壓等惡劣環境下的密封件以及隔熱材料等關鍵部位，為航天、航空事業的發展提供有力支撐。

石油化工領域：面對石油化工行業存在的腐蝕、老化、污染等問題，玄武巖纖維憑借其抗腐蝕、防老化、壽命長、防污染的特性，成為相關設備和設施制造的理想材料，有助于延長設備使用壽命，保障生產過程的安全與穩定。

海洋領域：在海洋工程、海洋設施以及輪船、艦艇、桅桿、管道、纜繩、漁網等方面，玄武巖纖維的隱形、抗腐蝕、抗干擾等特點能夠使其很好地適應海洋復雜且惡劣的環境，發揮重要作用，提升海洋裝備的性能和使用壽命。

交通領域：無論是水陸空哪種立體交通方式，包括交通道路（公路、鐵路）、交通設施（橋梁、隧道等）、交通工具（車輛、船只、飛機等），玄武巖纖維都有用武之地。例如在汽車制造中，它可以用于制造車身、底盤等結構件，提高汽車的強度和耐久性，同時還能制造汽車的輕量化部件，降低汽車重量和油耗，提高燃油經濟性；在鐵路、橋梁等基礎設施建設中，也能增強結構穩定性，保障交通安全。

建筑領域：作為新型綠色材料，玄武巖纖維無毒無污染，質輕堅固，具備隔音隔熱、保溫保暖、防火、防震等多種功能，可用于制造環保型建筑材料，如隔音板、隔熱板等，提高建筑的節能性能和環保性能，為打造綠色、舒適、安全的建筑環境貢獻力量。

環保領域：由于無污染且抗腐蝕，玄武巖纖維成為各種過濾網的優選材料，可應用于空氣凈化、污水處理等多個環保環節，助力環境保護事業的發展，有效提升環境治理效果。

其他領域：像農業綠色大棚支架，體育器材（如釣魚竿、高爾夫球桿等）等方面，玄武巖纖維也憑借其獨特性能得到了廣泛應用，為這些領域的產品性能提升提供了有力保障。

六、玄武巖新材料與新質生產力及產業發展

發展玄武巖新材料是提升新質生產力的重要途徑：

在各地積極踐行關于發展新質生產力的理念過程中，努力破除傳統觀念，改變傳統生產方式，通過創新驅動創業，進而推動發展，因地制宜地打造新產業成為重要舉措。玄武巖新材料產業在此背景下受到了普遍關注，被認為是發展新質生產力的關鍵途徑之一。

玄武巖作為火山噴發形成的基性火山巖（噴出巖），在地球上分布極為廣泛，常以火山錐、碎屑流、熔巖流、熔巖席等產狀展布，不僅廣泛存在于海底和陸地、島嶼，甚至在月球、火星等其他星球也有分布。其化學成分屬于硅酸鹽類，主要由 SiO?、TiO? 、Al?O?、Fe?O? /FeO、MgO、CaO、K?O、Na?O、P?O?等氧化物及揮發分和其他微量元素化合物組成，并且可分為堿性玄武巖、鈣堿性玄武巖、拉斑玄武巖和高鋁玄武巖等巖石系列。

通過選擇合適類型的玄武巖，將其粉碎后在特定的高溫窯爐中熔融，再經過相應工藝流程，就能夠拉成絲，通常稱為連續玄武巖纖維（continue basalt fiber CBF），還可以制成巖棉和鱗片。玄武巖纖維、巖棉、鱗片這三大類材料，具有性能好、用途廣、性價比高、無污染、無碳排放等顯著優勢，被廣泛應用于航天、航空、國防、海洋、交通、建筑、環保、消防等眾多領域。比如嫦娥六號在月球上展示的五星紅旗就是采用玄武巖纖維材料制成的，它能夠很好地適應月球表面惡劣環境，并長期保持完好，這充分展示了玄武巖纖維強大的環境適應性和高性能。

與其他纖維相比，玄武巖纖維及其復合材料具備力學強度高、物理和化學性能好等特點，可以用來制作高端產品，即便與價格昂貴的碳纖維相比，二者的綜合性能也不相上下，甚至有些性能還要優于碳纖維，而從成本角度來看，按照現在的市場價，玄武巖纖維不及碳纖維的十分之一，是一種低成本、高性能、潔凈程度理想的新纖維。美國德州的玄武巖連續纖維工業聯盟也指出，玄武巖連續纖維是碳纖維的低價替代品，具有一系列優異性能，尤為重要的是，它取自天然礦石且無任何添加劑，是迄今為止唯一無環境污染、不致癌的綠色健康玻璃質纖維產品，擁有廣闊的市場需求和應用前景，極有可能替代鋼鐵等金屬材料，進而引發一場材料領域的重大變革。

玄武巖新材料的產業發展前景與政策支持：

玄武巖材料產業從原料的尋找、開采，到加工、運輸，再到纖維、巖棉、鱗片等新型材料的生產，以及實用產品的開發研制、加工，乃至智能化、集約化新技術的應用和市場運作等環節，能夠形成一條十分廣闊的產業鏈，眾多相關企業可以結成大的產業聯盟。這種新產業所具備的形成廣泛產業鏈的能力，預示著其擁有廣闊的發展空間。

國家對玄武巖新材料這一新型材料給予了高度重視，在國家中長期科學和技術發展規劃綱要 (2006 -2020年)以及相關產業政策中，都將玄武巖新材料列為重點扶持和鼓勵發展的對象。從科研項目立項來看，政府不斷加大對玄武巖新材料基礎研究、應用開發等方面的資金投入，鼓勵高校、科研院所與企業開展產學研合作，旨在攻克更多關鍵技術難題，提升玄武巖新材料的性能和品質，拓展其應用范圍。

在稅收政策方面，對于從事玄武巖新材料研發、生產的企業給予相應的稅收優惠，例如減免部分企業所得稅、增值稅等，減輕企業負擔，激勵企業加大生產規模和創新投入，加快產業的規模化發展。同時，在土地使用政策上，對于建設玄武巖新材料產業園區等項目，優先保障土地供應，并且給予一定的土地使用優惠，為產業的集聚發展創造良好條件。

各地政府也積極響應，根據自身的玄武巖資源分布情況以及產業基礎，制定了因地制宜的地方政策。一些玄武巖資源豐富的地區，紛紛規劃建設玄武巖新材料產業基地，引進先進的生產設備和技術人才，打造區域特色產業集群。通過舉辦玄武巖新材料產業研討會、招商會等活動，加強對外交流與合作，吸引更多的投資和資源匯聚，提升本地玄武巖新材料產業在全國乃至全球的影響力。

在市場需求方面，隨著人們對綠色、環保、高性能材料的關注度日益提升，各行各業對于玄武巖新材料的需求呈現出快速增長的趨勢。在建筑領域，越來越多的綠色建筑項目主動選用玄武巖纖維制成的保溫隔熱、隔音防火等建筑材料，以滿足建筑節能和環保要求；在交通行業，無論是城市軌道交通建設，還是新能源汽車的輕量化發展，玄武巖纖維都備受青睞，用于增強結構強度和提升產品性能。這種市場需求的持續增長，為玄武巖新材料產業的蓬勃發展提供了強大的內在動力。

此外，國際合作也為玄武巖新材料產業帶來了新的機遇。我國的玄武巖新材料憑借其優異的性能和性價比優勢，逐漸在國際市場上嶄露頭角，與國外眾多企業達成合作意向，產品出口量逐年增加。同時，通過與國外科研機構的合作交流，能夠及時掌握國際前沿技術動態，引進先進的生產管理經驗，進一步提升我國玄武巖新材料產業的國際競爭力，推動產業向高端化、國際化方向邁進。

總之，玄武巖新材料憑借其卓越的性能、廣泛的應用前景以及契合新質生產力發展要求等優勢，在國家政策的大力支持和市場需求的有力拉動下，正迎來產業發展的黃金時期，有望在未來的材料領域發揮更為重要的作用，為我國乃至全球的經濟發展、科技創新以及綠色可持續發展做出更大的貢獻。

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來源：賢集網
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