文章刊登于《中国科技产业》杂志
202408期“院士专论
在党的二十大和二十届三中全会精神指引下，各地都在努力践行习近平同志关于发展新质生产力的理念。新质生产力的核心是要破除传统观念，改变传统生产方式，努力创新；以创新促创业，以创业促发展，因地制宜地发展新产业，创造新业绩，实现高效、节能、环保、安全的发展目标；真正体现“科学技术是第一生产力，人才是第一资源，创新是第一动力”，把新的先进的科学技术贯穿到生产的全过程。
一、发展玄武岩新材料是提升新质生产力的重要途径
在寻找新产业、促进地方经济发展的过程中，玄武岩新材料产业受到普遍关注，认为它是发展新质生产力的重要途径。
玄武岩是火山喷发形成的基性火山岩（喷出岩），常以火山锥、碎屑流、熔岩流、熔岩席等产状展布，广泛分布于海底和陆地、岛屿，是地球上分布最广的一类岩石，在月球、火星等其他星球也有广泛分布。其化学成分属于硅酸盐类，主要由SiO2、TiO2 、Al2O3、Fe2O3 /FeO、MgO、CaO、K2O、Na2O、P2O5等氧化物及挥发分和其他微量元素化合物组成；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。
选择一定类型的玄武岩，将其粉碎后在特定的高温窑炉中熔融，经过一定的工艺流程，可以拉成丝，通常称连续玄武岩纤维（continue basalt fiber CBF），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，无碳排放等优势，被广泛用于航天、航空、国防、海洋、交通、建筑、环保、消防等领域。嫦娥六号在月球上展示的五星红旗就是用玄武岩纤维材料制成的，它适应月球表面的恶劣环境，能够长期保留。
与其他纤维相比，玄武岩纤维及其复合材料具有力学强度高、物理和化学性能好，可以用来制作高端产品等优势；就是与价格昂贵的碳纤维相比，二者的综合性能也不相上下，有些性能还好于碳纤维，而成本，按现在的市场价，玄武岩纤维不及碳纤维的十分之一。因此，玄武岩纤维是继碳纤维、芳纶、聚乙烯纤维等之后的一种低成本、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，由于它取自天然矿石而无任何添加剂，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，具有广阔的市场需求和应用前景，很可能代替钢铁等金属材料，引起一场材料革命。玄武岩新材料以崭新的面貌，崭新的用途展示在人们面前，是提升新质生产力的重要途径。
二、玄武岩新材料的性能
玄武岩材料在火山和熔炉里经过两次超高温处理，从坚硬的岩石变成柔软的纤维、岩棉，轻盈的鳞片，坚韧的板筋，具有耐高温(> 880℃)、耐低温(<-200℃)、热传导系数低（隔热）、隔音、阻燃、绝缘、吸湿性低、抗腐蚀、抗辐射、断裂强度高、伸长率低、弹性模量高、重量轻等优异性能和优良的加工性能，完全属于全新的材料；且在正常生产加工过程中不产生有毒物质，无废气、废水、废渣排放，因而被称为21世纪无污染的“绿色工业材料和新材料”。
1.力学性能好，抗拉强度高
连续玄武岩纤维的密度2.65～3.00g/cm3，莫氏硬度5～6度, 弹性模量89 GPa，抗拉强度为3800MPa～4800 MPa，高的断裂强度3200 MPa 和低的断裂伸长率3.1%，具有优异的耐磨抗拉增强性能，比大丝束碳纤维、芳纶、PBI纤维、钢纤维、硼纤维、氧化铝纤维都要高，与S玻璃纤维相当；玄武岩纤维在70℃水作用下其强度可保持1200h，而一般玻璃纤维不到200h便失去强度；在100℃～250℃温度下的拉伸强度可提高30%，而一般玻璃纤维却下降23%。
因此，玄武岩在桥梁建筑等方面显示出很大的优势，在钓鱼杆、曲棍棒、滑雪板、撑杆、弓箭和驽弓等体育用材方面也得到广泛应用。同时，玄武岩纤维有很高的弹性模量：9100kg/mm2～11000kg/mm2，高于无碱玻纤、石棉、芳纶纤维、聚丙稀纤维和硅纤维，与昂贵的S玻璃纤维相近，可以代替S等玻璃纤维制造绝热制品和复合材料，制造硬质装甲和各种GFRP产品。
表1各种纤维增强环氧树脂制成的复合材料机械性能
从表中可以看出，用玄武岩连续纤维制成单向增强复合材料在强度方面与E玻璃纤维相当，但弹性模量在各种纤维中具有明显优势。用玄武岩连续纤维制成的层合板也有类似结果。研究表明，无论是非表面处理纤维，还是有机硅处理剂处理过的纤维，玄武岩纤维与环氧树脂的粘合强度都要高于E玻璃纤维与相同环氧基的粘合强度。玄武岩纤维-环氧复合材料的研究指出，玄武岩纤维具有良好的增强效应。玄武岩连续纤维增强材料所具有的这种性能，可以用来制作长期工作在高压、热应力环境下的复杂容器。
2.化学稳定性好，抗腐蚀性能强
玄武岩纤维含有的K2O、MgO和TiO2等成分，对提高纤维耐化学腐蚀及防水性能起到重要的作用，具有良好的化学稳定性和很强的耐酸耐碱性能。玄武岩纤维与E玻璃纤维在3h沸煮后，纤维质量分数损失的对比情况：在水中玄武岩纤维损失0.002，而E玻璃纤维则损失0.007；2N NaOH的溶液里两者分别为0.0275和0.06；在2N HCI中仅损失0.022，而E玻璃纤维则损失0.389。玄武岩纤维的耐酸性比一般用作耐酸玻璃增强材料的ECR玻璃纤维高得多。
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。在抗生素过程中产生的气体也可以用玄武岩纤维进行净化和杀菌，用玄武岩纤维制成的过滤器在生产中长期使用说明，它可以承受强刺激性蒸汽的杀菌作用。
3.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；耐温性、绝热性能好，无热收缩现象，绝对不可燃，在加热情况下没有有害的物质或气体排出。
玄武岩纤维的使用温度范围一般为-269℃～700℃，软化点为960℃，远远高于玻璃纤维的 -60℃～450℃和碳纤维的500℃最高使用温度。它在500℃下的抗热振稳定性仍不变，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℃就有CO和CO2产生，玻璃棉则完全破坏，芳纶最高使用温度也只有250℃。因此，利用这些特点，可制造用于隔热吸音相结合的结构材料和防火材料，如防火墙、安全防火门、防火服、防火毯、防火帘等阻燃材料，及其他工业用或民用高层建筑的某些产品。
另一方面，玄武岩纤维也耐低温。在低温技术中，玄武岩纤维可用作高效隔热保温材料。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.℃, 在该条件液态氮介质中浸泡后，纤维强度无降低现象，是有效的低温绝热材料，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，玄武岩纤维材料具有不可替代的重要性。
4.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,具有良好的介电性能和高绝缘特性。利用这一介电特性和吸湿率低、耐温好的特性，可用它制造仪器仪表、电动机及各种电器中的附件（如齿轮、轴承、密封件等），减轻自身质量和提高其可靠性，延长其使用寿命；也可以用它制成高质量印刷电路板，风力发电叶片的增强材料。应用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。
5.良好的透波性能和吸波性能
玄武岩纤维中具有0.2质量分数的金属氧化物，可能是氧化铁、氧化钛成分，使其具有良好的透波性和一定的吸波性。如果进一步调整成分、树脂体系内再加上吸收剂或吸波涂层，可能会有更好的吸波性能。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下进行了测试，结果发现该材料未加任何其他吸波隐身材料而具有一定的吸波性能。
6.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，玄武岩纤维材料具有多孔结构，当声音穿过时，摩擦力就会变大，阻止声音的传播。吸音隔音性能和隐身性能都很好，可制作隐身材料。玄武岩纤维缝编材料在公交汽车制造业的应用，明显地改善了马达的声音，提高了马达的工作能力。
表2由玄武岩纤维制造的吸音材料性能数据
材料密度15kg/m3；厚度30mm；隔离壁面与材料的间距0.0mm;
频率范围赫（HZ）
100～300
400～900
1200～7000
法向吸音系数
0.05～0.15
0.22～0.75
0.85～0.93
材料密度15 kg/m3；厚度30mm；隔离壁面与材料的间距0.0mm;
频率范围赫（HZ）
100～200
300～900
1200～7000
法向吸音系数
0.15
0.86～0.99
0.74～0.99
注：该材料是用直径为1～3微米的超细玄武岩纤维制成
7.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，同时玄武岩纤维在腐蚀性介质中（酸、碱、盐溶液中），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，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，对增强水泥混凝土结构具有无可替代的优势。该特性为在桥梁、隧道、堤坝、楼板等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，开辟了广泛的前景。
三、玄武岩新材料的应用
玄武岩纤维的主要产品为原丝、无捻粗纱和加捻纱。玄武岩纤维其表面光滑，手感柔软，对人体无害，是纯环保纤维、纺织原材料；并可以用玄武岩纤维为增强体制成各种新型复合材料。玄武岩复合材料具有耐酸碱、无放射性、膨胀系数小、可锯可磨性好、光洁度高、细腻等优点，可替代钢材、玻璃纤维等材料，且具有综合性能好、性价比高等优势，是其他纤维材料难以比拟的。因此，在某些特定的领域中玄武岩纤维有其独特的应用前景。这些领域有：
航天、航空:制造航天、航空器需用的 轻型、韧性、坚实、耐高温、耐低温、抗腐蚀材料；
军事、国防:武器、装备、通信器件、防火服、防弹服等：
石油化工：抗腐蚀、防老化、寿命长、防污染；
海洋：隐形、抗腐蚀、抗干扰，用于海洋工程，海洋设施，轮船、舰艇、桅杆、管道、缆绳、渔网等；
交通：水、陆、空立体交通，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），汽车、火车轻量化等；
建筑：新型绿色材料，无毒无污染，质轻坚固，隔音隔热、保温保暖，防火、防震等；
环保：无污染，抗腐蚀，各种过滤网的优选材料；
其他：农业绿色大棚支架，体育器材（如钓鱼竿、高尔夫球杆等）。
四、玄武岩新材料可以形成广泛的产业链
玄武岩材料产业从原料寻找、开采、加工、运输，到纤维、岩棉、鳞片等新型材料的生产和实用产品的开发研制、加工，以及智能化、集约化新技术的应用，市场运作，能形成广阔的产业链，结成大的产业联盟。
图2 玄武岩纤维材料产业链示意图
这种新产业能形成广泛的产业链，具有广阔的发展空间。国家对这种新型材料给予高度重视。国家中长期科学和技术发展规划纲要 (2006-2020年) 和“十三五”、“十四五”发展规划都把新材料的研究与开发作为重要的目标，国家发展和改革委员会公布的《产业结构调整指导目录》也重点鼓励和优先推广玄武岩新材料的研发、生产及应用。全国许多省市自治区建立和发展了这个新型产业，研发和生产机构犹如雨后春笋，蓬勃发展。
作者简介：
刘嘉麒，满族，1941年5月生于辽宁省丹东市，籍贯北镇市，地质学家，中国科学院院士，1967年长春地质学院研究生毕业，1986年中国科技大学研究生院毕业获理学博士学位，曾任中国科学院地质研究所所长、中国第四纪研究委员会主任，现任中国科学院地质与地球物理研究所研究员，中国科学院大学、 河北地质大学、郑州大学等大学兼职教授，中国世界遗产专家委员会主任，国际单成因火山专业委员会联合主席等职，承担和主持过多项国家级和国际合作项目，系统研究了中国火山，开拓了玛珥湖高分辨率古气候研究和在火山岩中寻找油气藏的新领域，参与了国家关于东北、新疆、浙江沿海和淮河流域等地区发展的战略研究，在火山学、第四纪地质环境学、玄武岩新材料等方面做了大量系统性创新工作，获得国家自然科学二等奖和科技进步二等奖各一项、中国科学院自然科学一等奖和科技进步一等奖各一项，以及国家海洋局科技进步特等奖、首届侯德封奖等奖项；2001年被中国科协评为“全国优秀科技工作者”，2016年被国家科技部、中宣部、中国科协评为“中国科普工作先进工作者”，2019年被中国老科协评为“先进个人”，2020年获得中国科学院大学领航奖（金奖）、李佩教学名师奖，2023年被评为“北京市最美科技工作者”。
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