5.7.1 玄武岩纤维复合材料的应用
1）玄武岩纤维的性能
玄武岩属基性火山岩，是地球洋壳和月球月海的最主要组成物质，也是地球陆壳和月球月陆的重要组成物质，玄武岩矿石也就是火山喷发的岩浆变化而来的。玄武岩矿石在地球表面上已存放了数百万年，经受着多种气候因素的作用，是最坚固的硅酸盐矿石之一，其结构致密，并含有玻璃质，产地不同，成分略有不同。1546年，G.阿格里科拉首次在地质文献中用basalt这个词描述德国萨克森的黑色岩石。玄武岩纤维是以纯天然的玄武岩矿石为主要原料，由于其储量丰富，因此可以说玄武岩纤维的原料是无限的。
玄武岩纤维最早在1923年由法国的Paul Dhe尝试制作，玄武岩石料在1450～1 500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维，强度与高强度S玻璃纤维相当。纯天然玄武岩纤维的颜色一般为褐色，有些似金色。玄武岩纤维同时兼备许多纤维无法具有的优异性能，是一种新型无机环保绿色高性能纤维材料。从成型工艺和化学组成上来看，玄武岩纤维和玻璃纤维有相似之处，两者的主要成分都包含二氧化硅，且均为无机非金属纤维，主要由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成。
玄武岩纤维的主要特性：
（1）玄武岩纤维属于第一水解级，其热稳定性、耐高温性、热震稳定性、耐酸性、耐汽性、耐水性、耐紫外线照射、抗氧化等性能均优于矿渣纤维及玻璃纤维，玻璃纤维使用温度范围为-60～450℃，玄武岩纤维的使用温度一般在-260～880℃，这一温度远远高于芳纶纤维、无碱E玻纤、石棉、岩棉、不锈钢，接近硅纤维、硅酸铝纤维和陶瓷纤维；热震稳定性好，在500℃温度下保持不变，在900℃时原始质量仅损失3%；玄武岩纤维的酸度系数为5.48，pH值为1.7。
（2）玄武岩纤维的吸湿性小于1%，而玻璃纤维达10%～20%；它的耐酸性及耐汽性均优于矿渣纤维及玻璃纤维，且价格较玻璃便宜。
（3）高的弹性模量和抗拉强度，玄武岩纤维与碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维等高技术纤维相比，其弹性模量为9100～11000 kgf/mm2，抗拉强度为3800～4800 MPa，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。
（4）除了具有高技术纤维高强度、高模量的特点外，玄武岩纤维还具有绝热隔音、过滤性好、抗压缩强度和剪切强度高、适应于各种环境下使用等优异性能，且性价比好，是一种纯天然的无机非金属材料，也是一种可以满足国民经济基础产业发展需求的新的基础材料和高技术纤维。
（5）玄武岩纤维具有优良的透波性和吸波性，优异的吸音和隔音性能，吸音系数为0.9～0.99，高于无碱纤维和碳纤维；具有良好的隐身性能，可用作隐身材料；良好的电绝缘性和介电性能。体积电阻率为1×1012Ω·m，大大高于无碱玻纤和硅纤维；比玻璃纤维高一个数量级，介电损失角正切高50%。
（6）天然的硅酸盐相溶性。与水泥、混凝土的分散性好，结合力强，热胀冷缩系数一致，耐候性好。
（7）较低的吸湿性。玄武岩纤维的吸湿性低于0.1%，低于芳纶纤维、岩棉和石棉。
（8）较低的热导率。玄武岩纤维的热导率为0.031～0.038 W/（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。
（9）玄武岩纤维熔化过程中没有硼和其他碱金属氧化物排出，使玄武岩纤维的制造过程对环境无害，无工业垃圾，不向大气排放有害气体，且玄武岩纤维分解后即为土壤母质，能自然降解，对环境不会造成二次污染，而且产品的寿命长，因此是一种低成本、高性能、洁净程度理想的新型绿色主动环保材料。因此，玄武岩纤维是21世纪的一种新型环保材料，成为目前研究的热点。
2）玄武岩纤维技术的发展
二战期间，玄武岩纤维技术得到美国、欧洲国家和苏联的大力研发，并被广泛应用于军事和航天领域。1995年，随着技术解密，玄武岩纤维技术逐步在民用领域得到极大的推广。目前，北美目前是使用连续玄武岩纤维最多的地区，2012年占整个市场消费量的近39.6%。由于GDP以较快速度增长，可支配收入不断提高，亚太地区预计将成为发展最为迅速的地区。2013～2019年，亚太地区连续玄武岩纤维的消费量预计将以10.9%的复合年均增长率增长，2019年全球连续玄武岩纤维市场产值达1.047亿美元。我国四川广安玄武岩储量丰富，广安市人民政府2019年发布了关于加快发展玄武岩纤维新材料产业的意见的通知，目标是：到2025年，玄武岩纤维产业集群基本形成，行业研发创新能力明显提升，成为广安经济发展的重要支撑，全市玄武岩纤维产业产值达100亿元以上。(https://www.daowen.com)
3）玄武岩纤维复合材料的应用
玄武岩纤维现为我国重点发展的四大纤维（玄武岩纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维）之一，我国玄武岩矿石分布广泛，且具有较好的质量，为生产出优质的玄武岩纤维提供了较为丰富的原料。玄武岩纤维可满足航空等领域的需求，应用前景十分广阔，被科学界称为“21世纪的绿色战略资源”。
玄武岩纤维材料分三种类型：连续纤维、岩棉、鳞片。对全世界而言，玄武岩纤维复合材料的研发与生产也尚属起步发展阶段。现有技术可将玄武岩纱线、织物等浸渍树脂以后缠绕成管，这种管子可用作轴衬、建筑构件、桅杆、通信器件和输送腐蚀性气体或液体的管道等。除增强塑料管之外，类似用聚合物浸渍单向玄武岩纤维形成的筋材可成功替代钢筋，用以增强混凝土；用多股玄武岩粗纱与其他复合材料结合，亦可制成各种形状的玄武岩纤维复合型材。因连续玄武岩纤维具有良好的综合性能，它与其他材料复合时，比玻璃纤维、碳纤维有更强的亲和力，并意味着用玄武岩纤维制成的复合材料更具优异的性能，它可有效解决各行业玄武岩纤维材料的应用问题，同样可以像玻璃纤维、石棉、碳纤维及芳纶一样，可用作各种复合材料制品，如管、船艇、风机、高压容器、隔热和防水、消防、铺地增强材料、摩擦材料、电绝缘材料及印刷电路板等，用于建筑、地下工程、航空航天、军事、造船、石化、工业设备、汽车、电子、冶金、环保等多个领域。各种纤维增强环氧树脂制成的复合材料机械性能比较见表5.7：
表5.7 各种纤维增强环氧树脂制成的复合材料机械性能比较
以玄武岩纤维为原材料制备的各种产品被广泛应用于：
（1）军事领域。用于隐形衣、防弹衣和宇航服：能够隔热，可防辐射；玄武岩纤维具有高强、耐高低温等特性，十分符合飞机、导弹表面材料要求，同时其具有吸波透磁的特点，可以实现雷达隐形。所以玄武岩碳纤维可以部分替代碳纤维用于隐形飞机和导弹。当前防弹衣通常选用超高分子量聚乙烯纤维，其耐热性能低，在弹头的高温熔灼下强度和模量会降低，影响防弹效果。与之相比，玄武岩纤维耐高温性强，便不存在此问题。
（2）航空航天。玄武岩纤维热导率小，阻燃性能好，工作温度范围为-269～700℃，既耐高温又耐低温。满足航空航天领域对材料的苛刻要求，俄罗斯的航空航天材料大部分就是用这种材料制作的。ACMA（美国复合材料制造商协会）帮助美国太空探索技术公司（SpaceX）进行太空探索。ACMA表示，成功发射的火箭，特别是“重型猎鹰”运载火箭，其制造中使用了复合材料，复合材料为诸多太空探索初创公司提供了新的机会。美国Mid-Mountain Materials公司生产用于航空航天玄武岩纤维绝热材料。此外，国际研究小组还开发了可在零下温度的太空中使用的自修复纤维增强复合材料。自2014年起，美国国家航空航天局（NASA）开始试图解决在火星上长期居住的问题。2019年，AI SpaceFactory（美国纽约）成为NASA 3D打印栖息地挑战赛的冠军，因为它建造了MARSHA，这是一种用于火星居住的3D打印玄武岩纤维复合材料结构。这款15英尺（1 ft=0.3048 m，下同）高的原型机在比赛的最后阶段进行3D打印，由生物聚合物玄武岩纤维复合材料制成，可生物降解，可回收利用，并衍生自火星表面的天然材料。这种材料通过了美国宇航局的压力、烟雾和冲击测试，并且发现比挑战中其他60个竞争对手使用的混凝土更坚固耐用。在高度自动化的过程中，栖息地在30小时内被打印出来，结构中的三个窗户也被机器人放置。AI SpaceFactory花了两年时间为火星开发这些建筑技术，并计划将材料从MARSHA回收到3D打印TERA，这是一个在地球上使用的空间技术生态栖息地，据称是此类的第一个。
（3）建筑领域。利用玄武岩纤维优异的耐腐蚀性，可与乙烯基或者环氧树脂通过拉挤、缠绕等工艺复合成型，制成新型的建筑材料。这种材料具有高强度，优异的耐酸、耐腐蚀性，可代替部分钢筋用于土木工程中。而且玄武岩纤维的膨胀系数与混凝土相近，两者之间不会产生大的温度应力。
（4）汽车领域。玄武岩纤维是天然绿色的新材料，将为我国交通运输领域的基础建设发挥升级换代的作用。首先，玄武岩纤维可以提高我国交通运输基础设施建设的质量，降低成本，促进交通运输业的升级换代；用作为摩擦增强材料：玄武岩短切纤维具有高温摩擦系数稳定、热衰退小和制动噪音低等特点，适合作为摩擦材料的主增强材料，该材料有利于解决传统汽车制动器出现的“热衰退”现象，进而减少交通事故的产生。其次，玄武岩纤维是碳纤维的低价替代品，有些性能还高于碳纤维，这可以从一定程度上缓解我国碳纤维、芳纶等高技术纤维短缺带来的一些供求矛盾。尤其是从战略层面上看，面对我国碳纤维落后的现状，大力发展玄武岩纤维不失为是一种弥补碳纤维不足和“引领未来”的战略选择。此外，玄武岩纤维还用于汽车货架、车内扶手、公共车行李架、汽车制造用输送架、冷藏车结构、隔热壁板、座椅等；作为汽车过滤材料：玄武岩纤维汽车过滤材料能够在高温条件下将汽车尾气中的固体粒子过滤分离开来，降低汽车尾气对城市污染，且其过滤材料具有在高温条件下性能保持稳定的优点；用作为汽车仪表板：用玄武岩纤维复合材料制作软质汽车仪表板骨架强度高、弹性模量高、流动性更好、耐冲击、耐疲劳、耐腐蚀性好、生产周期短、生产效率高、易于实现复杂制件一次成型。同时仪表板设计厚度也可相应减薄，质量相对减轻，一般可减轻质量25%左右。由于吸音系数较高，用在一些内饰件上，起到隔音降噪的效果；作为汽车前端支架：采用玄武岩纤维增强PP材料整体塑成型制作的前端支架耐腐蚀、抗冲击、尺寸稳定性好、力学性能高，减重达20%～40%。目前各大自主品牌车企都在积极研发中，使之成为汽车工业的主要原材料之一，尤其是较重型汽车上使用效果会更好；制作汽车车身：玄武岩的强度和刚度足以满足汽车车身架构的需要，在减重汽车的同时有着良好的防撞性能。2019年，俄罗斯创新中心斯科尔科沃建立了一个测试无人驾驶车辆的高科技中心。该中心展示了第二代电动车NAMI-KAMAZ 1221 SHATL的功能。该无人驾驶公交车可容纳12名乘客，并且配有视觉系统、导航设备以及可下载的地图。车载电池充满电仅需50 min，充满电后可以运行120 km。SSC RF FSUE NAMI部门和综合项目中心主任Aleksey Guskov表示，车身是整体成型由玄武岩纤维复合材料框架设计而成的。
（5）石油化工领域。玄武岩纤维复合材料可引发石油天然气管道业的革命。用玄武岩纤维缠绕环氧树脂的复合管材可用于输送石油、天然气、冷热水、化学腐蚀液体、散料、电缆管道、低压和高压钢瓶和出油管等。常见的有与环氧树脂相结合的缠绕高压管道，具有保温和防腐蚀双重效果。以石油管道为例，玄武岩纤维管道施工投产后，连续使用期限为80年。同时玄武岩纤维具有优良的耐高温性，可以用作压机缓冲垫，冷藏或气体液体槽罐的隔热材料，高温净化过滤材料。
（6）风电叶片和电子工业方面。连续玄武岩纤维可以进行加工，加工后比钢铁拥有更高强度，而且不会生锈，因为它具有化学惰性。卓越的物理特性加上能够轻松可再生，成为推动连续玄武岩纤维需求增长的主要因素。该类纤维目前主要被用于生产风力涡轮机上的多种部件，大部分被用于生产叶片等绝热和绝缘材料。玄武岩纤维的体积电阻率比E-玻璃纤维高一个数量级，利用玄武岩纤维的这一介电特性和吸湿低、耐温的特性，可以制成高质量多层印刷电路板的覆铜板，同时也可用作为绝缘线皮，变压器模与增强部件。
（7）体育休闲领域。玄武岩纤维具有优异的抗拉强度，国外已开发的产品有：钓鱼竿、曲棍棒、天线、滑雪板、雨伞柄、撑杆、帆船、运动场坐凳等。
4）最新成果及应用
2011年，我国成功应用自主研发玄武岩纤维复合材料导线芯，用其生产的导线。高温拉断力，复合芯抗破损能力等关键性能指标大大优于标准。有望终结我国高端电缆材料长期依赖进口的情况；2013年，东南大学利用玄武岩合成新复合材料，产值过10亿元，并成功用于国家重大科学工程—500 m口径射电望远镜FAST项目，以及润扬大桥、苏通大桥等十余座具有世界影响的大跨桥梁；贺远松2014年对玄武岩纤维复合材料在船艇中的应用技术进行研究，分别对采用玄武岩纤维和E-玻纤建造的复合材料主船体作了总强度，总刚度和振动模态测试，并比较两者的试验结果；曹剑2016年发明了一种防腐蚀玄武岩纤维复合材料及其制备方法，玄武岩纤维复合材料是由玄武岩纤维原丝经表面处理剂处理后，掺入一定比例的蒙脱土和立方氮化硼再由基体树脂浸渍并固化而成的纤维复合材料，其制备工艺则包括：纤维表面处理，浸渍基体树脂以及固化成型。本发明克服了现有材料在海岛施工难，造价高等问题，本材料采用涂刷，浸渍，真空加压，烘干等操作步骤，不仅制作步骤简单、快捷，还可实现工业化的大规模生产，制作成本低廉；黄富强2016年发明提供了一种石墨烯/玄武岩复合材料及其制备方法，石墨烯/玄武岩复合材料包括玄武岩纤维以及沉积在玄武岩纤维表面的石墨烯，其中石墨烯厚度为0.3～100 nm，玄武岩纤维直径大小为0.2～100μm，玄武岩纤维长度0.5μm～1000cm；张道林2017年发明了玄武岩纤维保温板，该保温板包括依次层粘的装饰层，玄武岩纤维防火层，第一玄武岩纤维板，经高分子抗乳液浸泡涂层而成的玄武岩纤维网格布，第二玄武岩纤维板和玄武岩纤维基层；玄武岩纤维网格布上下两侧分别通过高耐候型酚醛树脂防火胶粘贴有岩棉保温板。相对于现有技术，本技术的效果是：以玄武岩纤维作为保温材料的外墙保温装饰一体板，是一种集保温，阻燃，耐水，装饰四位一体的高性能外墙板；提高了墙体强度，增强了保温板的抗弯能力和承载能力，能够广泛应用于建筑外墙外保温系统等；李中诚2018年发明提供了一种玄武岩复合材料的制备方法，包括以下步骤：①将树脂材料与固化剂进行混合，得到胶体溶液；②将步骤①得到的胶体溶液在真空条件下与玄武岩纤维充分接触，再经固化，得到玄武岩复合材料，玄武岩纤维的单丝直径为6～15μm，面密度为270～330 g/m2；胶体溶液与玄武岩纤维的质量比为（2.6～4.3）：7.5。与现有技术相比，本发明以玄武岩纤维为基体材料，采用特定工艺及条件，制备得到玄武岩复合材料；采用本发明提供的制备方法得到的玄武岩复合材料质量轻、强度高、伸展度高，且价格适中，适合作为玩具车车身材料；四川航天五源复合材料有限公司（2018）利用玄武岩纤维研发多种复合材料玄武岩光伏支架具有绝缘性、轻质高强、耐候性的特点。与光伏支架通用的Q235钢相比，玄纤复合材料拉伸断裂强度约为其3.5倍，密度仅为其1/4，可大幅度降低光伏支架自重，减少运输费用和降低安装劳动强度。产品正常使用寿命可达30年以上，使用过程中无须考虑锈蚀、膨胀应力等弊病，无须油漆保护并具有自洁作用，全寿命过程综合成本远低于同类产品；詹琳2018年公开了一种玄武岩纤维复合材料箱体生产工艺的制作方法，包括以下步骤：选取制备玄武岩箱体的配料、配料加工、颗粒烘干、箱体成型、冷却处理。通过加入玄武岩纤维，使得箱体的强度增大，提高了箱体整体的稳定性、耐腐蚀、耐高温和绝缘性；李志刚2019年公开了一种原位包覆深冷处理玄武岩纤维混杂麻纤维增强树脂基复合材料制备方法与流程，针对目前采用偶联剂改善纤维与树脂之间的界面结合的方式对界面结合性能提高有限的问题，本发明将玄武岩纤维深冷处理后添加偶联剂进行改性，并采用原位包覆的方式制成预浸料；将麻纤维自然冷冻-机械联合脱胶处理，再添加偶联剂进行改性；最后把三者按比例采用固相混纤的方式制成复合材料预制体。其利用纤维的预处理并采用原位包覆的复合化的方式，提高了复合材料的力学性能，降低了复合材料VOC的产生量和挥发量，减小了复合材料的密度，从而减轻了质量，提高了复合材料的综合性能，使其安全性能高、环保性能突出；朱苗淼2019年研究了稀土改性对玄武岩纤维增强氰酸酯树脂复合材料性能的影响，采用自制稀土改性剂改性玄武岩纤维（La-BF）布增强双酚A型二氰酸酯（BADCy）制备了La-BF/BADCy复合材料。采用SEM和FTIR分析了改性对BF表面产生的影响，TG分析研究了改性对BF/BADCy复合材料热稳定性的影响，使用电子万能试验机研究改性对不同质量分数的BF/BADCy弯曲性能的影响，通过阻抗分析仪分析了改性对La-BF/BADCy复合材料介电性能的影响。结果表明，改性减少了BF的表面缺陷，并引入了结晶状凸起，有利于提高BF/BADCy复合材料的界面性能；通过改性提高了BF/BADCy复合材料的热稳定性，初始分解温度提高了145℃；当BF的质量分数为12%时，改性使BF/BADCy复合材料弯曲模量提高到4.19 GPa，弯曲强度达到110 MPa以上。在1 MHz～3 GHz范围内，La-BF/BADCy复合材料的介电常数稳定在1.9左右。因此稀土改性是一种能够有效提高BF/BADCy复合材料弯曲性能、热稳定性及介电性能的表面改性方法；贾明皓2019年综述了玄武岩纤维增强复合材料及其应用最新研究进展，对玄武岩纤维增强复合材料及其应用进行了展望，兰州科学家成功研制出国内首台复合玄武岩纤维隔套磁力泵，将原金属隔套磁力泵组的效率提高9%，此次研制成功的复合玄武岩纤维隔套磁力泵将在石油、化工、冶金等军工、民用领域有广阔的应用前景；贾航2020年研究了玄武岩纤维增强树脂基复合材料界面改性策略，针对玄武岩纤维与聚合物基底间差的相容性导致玄武岩纤维增强树脂基复合材料存在诸多缺陷和不足，界面强度不够高、界面相易被破坏的问题成为制约玄武岩纤维增强树脂基复合材料发展的瓶颈之一，在综述了近年来国内外关于玄武岩纤维增强树脂基复合材料界面增强改性方面的研究工作基础上，介绍了玄武岩纤维增强树脂基复合材料界面作用机；阚明2019年根据目前航标构成材料仍以钢质、玻璃纤维和混凝土为主，航标建设和维护难度大，保养周期短，成本高的现状，对连续玄武岩纤维及其复合材料在航标上的应用前景进行了展望；张强2019年公开了一种玄武岩新型复合材料桥塞的制备方法与流程，包括以下步骤：①将100～300份玄武岩原料进行粉碎得到玄武岩颗粒；②将200～600份海泡石原料进行粉碎得到海泡石颗粒，将得到的玄武岩颗粒和海泡石颗粒进行混合搅拌，得到混合颗粒。该玄武岩新型复合材料桥塞的制备方法，通过将玄武岩颗粒与海泡石颗粒粉碎混合搅拌，并经过高温熔融得到复合材料，玄武岩耐热性能好，抗裂功效好，海泡石拥有良好的散热性能和耐酸碱性，极大地提高了玄武岩的散热性能和化学稳定性，并且进一步提升了玄武岩的柔韧性，使其不容易变脆，所以两者形成的复合材料，达到了耐温稳定性高和机械强度高的目的；尚宝月2019年对风机叶片用玄武岩纤维复合材料的改性研究，采用手糊成型工艺制备了玄武岩纤维复合材料，用橡胶和无机粒子对复合材料进行改性；2019年，一个15 m长、2 m宽的、由玄武岩纤维复合材料和聚酯树脂建成的生物基人行桥在荷兰史基浦物流园已正式向公众开放；王会忠2020年公开了一种玄武岩复合材料筋材，包括筋材本体，筋材本体为玄武岩复合材料，外层设置有双层结构层，纤维为轴向排布，双层结构层中其中一层纤维周向顺时针缠绕排布，另一层纤维轴向逆时针缠绕排布；施展2020年公开了一种新型玄武岩纤维复合材料电缆支架，不仅使得支架的布置，安装更方便快速，而且膨胀螺栓耗量更少，安装效率更高；同时通过折叠和成组结构，使得支架的包装，运输和使用更方便；左学川2020年公开了一种玄武岩复合材料加固型垃圾桶的制作方法，由玄武岩复合板围成的上端开口的桶身，桶身开口的沿口处设有垂直于桶身侧壁的第一加强筋，第一加强筋的横截面呈蜂窝状。本发明中垃圾桶采用玄武岩复合材料制作，使得垃圾桶具有高强度、耐腐蚀和耐高温的特点，同时，桶身沿口处设置的横截面呈蜂窝状的第一加强筋进一步提升垃圾桶的强度，解决了现有技术中垃圾桶强度低且容易损坏的问题；郭福伟2020年发明了一种玄武岩复合材料矿用防爆控制柜。