劉嘉麒院士：發展玄武岩新材料 提升新質生產力

文章刊登於《中國科技產業》雜誌

202408期“院士專論

在黨的二十大和二十屆三中全會精神指引下，各地都在努力踐行習近平同志關於發展新質生產力的理念。新質生產力的核心是要破除傳統觀念，改變傳統生產方式，努力創新；以創新促創業，以創業促發展，因地制宜地發展新產業，創造新業績，實現高效、節能、環保、安全的發展目標；真正體現“科學技術是第一生產力，人才是第一資源，創新是第一動力”，把新的先進的科學技術貫穿到生產的全過程。

一、發展玄武岩新材料是提升新質生產力的重要途徑

在尋找新產業、促進地方經濟發展的過程中，玄武岩新材料產業受到普遍關注，認爲它是發展新質生產力的重要途徑。

玄武岩是火山噴發形成的基性火山岩（噴出巖），常以火山錐、碎屑流、熔岩流、熔岩席等產狀展布，廣泛分佈於海底和陸地、島嶼，是地球上分佈最廣的一類岩石，在月球、火星等其他星球也有廣泛分佈。其化學成分屬於硅酸鹽類，主要由SiO2、TiO2 、Al2O3、Fe2O3 /FeO、MgO、CaO、K2O、Na2O、P2O5等氧化物及揮發分和其他微量元素化合物組成；可分爲鹼性玄武岩、鈣鹼性玄武岩、拉斑玄武岩和高鋁玄武岩等岩石系列。

選擇一定類型的玄武岩，將其粉碎後在特定的高溫窯爐中熔融，經過一定的工藝流程，可以拉成絲，通常稱連續玄武岩纖維（continue basalt fiber CBF），製成岩棉和鱗片。

玄武岩纖維、岩棉、鱗片這三大類材料，具有性能好、用途廣、性價比高、無污染，無碳排放等優勢，被廣泛用於航天、航空、國防、海洋、交通、建築、環保、消防等領域。嫦娥六號在月球上展示的五星紅旗就是用玄武岩纖維材料製成的，它適應月球表面的惡劣環境，能夠長期保留。

與其他纖維相比，玄武岩纖維及其複合材料具有力學強度高、物理和化學性能好，可以用來製作高端產品等優勢；就是與價格昂貴的碳纖維相比，二者的綜合性能也不相上下，有些性能還好於碳纖維，而成本，按現在的市場價，玄武岩纖維不及碳纖維的十分之一。因此，玄武岩纖維是繼碳纖維、芳綸、聚乙烯纖維等之後的一種低成本、高性能、潔淨程度理想的新纖維。美國德州的玄武岩連續纖維工業聯盟指出，玄武岩連續纖維是碳纖維的低價替代品，具有一系列優異性能。尤爲重要的是，由於它取自天然礦石而無任何添加劑，是迄今爲止唯一無環境污染、不致癌的綠色健康玻璃質纖維產品，具有廣闊的市場需求和應用前景，很可能代替鋼鐵等金屬材料，引起一場材料革命。玄武岩新材料以嶄新的面貌，嶄新的用途展示在人們面前，是提升新質生產力的重要途徑。

二、玄武岩新材料的性能

玄武岩材料在火山和熔爐裡經過兩次超高溫處理，從堅硬的岩石變成柔軟的纖維、岩棉，輕盈的鱗片，堅韌的板筋，具有耐高溫(> 880℃)、耐低溫(<-200℃)、熱傳導係數低（隔熱）、隔音、阻燃、絕緣、吸溼性低、抗腐蝕、抗輻射、斷裂強度高、伸長率低、彈性模量高、重量輕等優異性能和優良的加工性能，完全屬於全新的材料；且在正常生產加工過程中不產生有毒物質，無廢氣、廢水、廢渣排放，因而被稱爲21世紀無污染的“綠色工業材料和新材料”。

1.力學性能好，抗拉強度高

連續玄武岩纖維的密度2.65～3.00g/cm3，莫氏硬度5～6度, 彈性模量89 GPa，抗拉強度爲3800MPa～4800 MPa，高的斷裂強度3200 MPa 和低的斷裂伸長率3.1%，具有優異的耐磨抗拉增強性能，比大絲束碳纖維、芳綸、PBI纖維、鋼纖維、硼纖維、氧化鋁纖維都要高，與S玻璃纖維相當；玄武岩纖維在70℃水作用下其強度可保持1200h，而一般玻璃纖維不到200h便失去強度；在100℃～250℃溫度下的拉伸強度可提高30%，而一般玻璃纖維卻下降23%。

因此，玄武岩在橋樑建築等方面顯示出很大的優勢，在釣魚杆、曲棍棒、滑雪板、撐杆、弓箭和駑弓等體育用材方面也得到廣泛應用。同時，玄武岩纖維有很高的彈性模量：9100kg/mm2～11000kg/mm2，高於無鹼玻纖、石棉、芳綸纖維、聚丙稀纖維和硅纖維，與昂貴的S玻璃纖維相近，可以代替S等玻璃纖維製造絕熱製品和複合材料，製造硬質裝甲和各種GFRP產品。

表1各種纖維增強環氧樹脂製成的複合材料機械性能

從表中可以看出，用玄武岩連續纖維製成單向增強複合材料在強度方面與E玻璃纖維相當，但彈性模量在各種纖維中具有明顯優勢。用玄武岩連續纖維製成的層合板也有類似結果。研究表明，無論是非表面處理纖維，還是有機硅處理劑處理過的纖維，玄武岩纖維與環氧樹脂的粘合強度都要高於E玻璃纖維與相同環氧基的粘合強度。玄武岩纖維-環氧複合材料的研究指出，玄武岩纖維具有良好的增強效應。玄武岩連續纖維增強材料所具有的這種性能，可以用來製作長期工作在高壓、熱應力環境下的複雜容器。

2.化學穩定性好，抗腐蝕性能強

玄武岩纖維含有的K2O、MgO和TiO2等成分，對提高纖維耐化學腐蝕及防水性能起到重要的作用，具有良好的化學穩定性和很強的耐酸耐鹼性能。玄武岩纖維與E玻璃纖維在3h沸煮後，纖維質量分數損失的對比情況：在水中玄武岩纖維損失0.002，而E玻璃纖維則損失0.007；2N NaOH的溶液裡兩者分別爲0.0275和0.06；在2N HCI中僅損失0.022，而E玻璃纖維則損失0.389。玄武岩纖維的耐酸性比一般用作耐酸玻璃增強材料的ECR玻璃纖維高得多。

玄武岩纖維也是製造淨化工業廢氣和城市廢物處理裝置的過濾器的優選材料。在抗生素過程中產生的氣體也可以用玄武岩纖維進行淨化和殺菌，用玄武岩纖維製成的過濾器在生產中長期使用說明，它可以承受強刺激性蒸汽的殺菌作用。

3.隔熱性能好，既耐高溫又耐低溫

玄武岩纖維的熱傳導係數爲0.031W/m·K～0.038W/m·K，低於芳綸纖維、硅酸鋁纖維、無鹼玻纖、岩棉、硅纖維、碳纖維和不鏽鋼；耐溫性、絕熱性能好，無熱收縮現象，絕對不可燃，在加熱情況下沒有有害的物質或氣體排出。

玄武岩纖維的使用溫度範圍一般爲-269℃～700℃，軟化點爲960℃，遠遠高於玻璃纖維的 -60℃～450℃和碳纖維的500℃最高使用溫度。它在500℃下的抗熱振穩定性仍不變，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，其斷後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後強度只能保持50%～60%，碳纖維約在300℃就有CO和CO2產生，玻璃棉則完全破壞，芳綸最高使用溫度也只有250℃。因此，利用這些特點，可製造用於隔熱吸音相結合的結構材料和防火材料，如防火牆、安全防火門、防火服、防火毯、防火簾等阻燃材料，及其他工業用或民用高層建築的某些產品。

另一方面，玄武岩纖維也耐低溫。在低溫技術中，玄武岩纖維可用作高效隔熱保溫材料。用直徑爲1～3微米的超細玄武岩纖維(密度爲140kg/m3)製造的隔熱保溫材料，在-196℃條件下，導熱係數爲0.026 Kcal/m.h.℃, 在該條件液態氮介質中浸泡後，纖維強度無降低現象，是有效的低溫絕熱材料，所以，生產液氧、液氮的廠家長期使用玄武岩纖維製造的隔熱保溫材料；在航天、航空及極地考察所需的材料中，玄武岩纖維材料具有不可替代的重要性。

4.介電係數高，絕緣性能好

玄武岩纖維的體積比電阻(體積電阻率)爲1x1012 歐姆·米，比E玻璃纖維高一個數量級,具有良好的介電性能和高絕緣特性。利用這一介電特性和吸溼率低、耐溫好的特性，可用它製造儀器儀表、電動機及各種電器中的附件（如齒輪、軸承、密封件等），減輕自身質量和提高其可靠性，延長其使用壽命；也可以用它製成高質量印刷電路板，風力發電葉片的增強材料。應用專門浸潤劑處理過的玄武岩纖維，其介電損耗角正切比一般玻璃纖維還低50%，可用於製造新型耐熱介電材料，製造高壓（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。

5.良好的透波性能和吸波性能

玄武岩纖維中具有0.2質量分數的金屬氧化物，可能是氧化鐵、氧化鈦成分，使其具有良好的透波性和一定的吸波性。如果進一步調整成分、樹脂體系內再加上吸收劑或吸波塗層，可能會有更好的吸波性能。用CBF增強樹脂製成180×180 mm標準板，厚度爲4mm，樹脂體系採用HD03，在8GHZ～18GHZ下進行了測試，結果發現該材料未加任何其他吸波隱身材料而具有一定的吸波性能。

6.吸音系數高，隔音效果好

玄武岩纖維的吸音系數爲0.9～0.99，玄武岩纖維材料具有多孔結構，當聲音穿過時，摩擦力就會變大，阻止聲音的傳播。吸音隔音性能和隱身性能都很好，可製作隱身材料。玄武岩纖維縫編材料在公交汽車製造業的應用，明顯地改善了馬達的聲音，提高了馬達的工作能力。

表2由玄武岩纖維製造的吸音材料性能數據

材料密度15kg/m3；厚度30mm；隔離壁面與材料的間距0.0mm;

頻率範圍赫（HZ）

100～300

400～900

1200～7000

法向吸音系數

0.05～0.15

0.22～0.75

0.85～0.93

材料密度15 kg/m3；厚度30mm；隔離壁面與材料的間距0.0mm;

頻率範圍赫（HZ）

100～200

300～900

1200～7000

法向吸音系數

0.15

0.86～0.99

0.74～0.99

注：該材料是用直徑爲1～3微米的超細玄武岩纖維製成

7.吸溼性低，與水泥相容性好

玄武岩纖維的吸溼性低於0.1%，比玻璃纖維吸溼率低6～8倍，具有較強的防滲抗裂功效，同時玄武岩纖維在腐蝕性介質中（酸、鹼、鹽溶液中），表現出高耐蝕性和高化學穩定性，尤其是在鹼性溶液中有獨特的化學穩定性，與水泥、混凝土熱脹冷縮係數一致，相容性好，結合力、握裹力強，對增強水泥混凝土結構具有無可替代的優勢。該特性爲在橋樑、隧道、堤壩、樓板等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溼、鹽類與鹼性混凝土介質腐蝕而導致金屬鋼筋腐蝕的建築構件中的應用，開闢了廣泛的前景。

三、玄武岩新材料的應用

玄武岩纖維的主要產品爲原絲、無捻粗紗和加捻紗。玄武岩纖維其表面光滑，手感柔軟，對人體無害，是純環保纖維、紡織原材料；並可以用玄武岩纖維爲增強體制成各種新型複合材料。玄武岩複合材料具有耐酸鹼、無放射性、膨脹係數小、可鋸可磨性好、光潔度高、細膩等優點，可替代鋼材、玻璃纖維等材料，且具有綜合性能好、性價比高等優勢，是其他纖維材料難以比擬的。因此，在某些特定的領域中玄武岩纖維有其獨特的應用前景。這些領域有：

航天、航空:製造航天、航空器需用的 輕型、韌性、堅實、耐高溫、耐低溫、抗腐蝕材料；

軍事、國防:武器、裝備、通信器件、防火服、防彈服等：

石油化工：抗腐蝕、防老化、壽命長、防污染；

海洋：隱形、抗腐蝕、抗干擾，用於海洋工程，海洋設施，輪船、艦艇、桅杆、管道、纜繩、漁網等；

交通：水、陸、空立體交通，交通道路（公路、鐵路），交通設施（橋樑、隧道等），交通工具（車輛、船隻、飛機等），汽車、火車輕量化等；

建築：新型綠色材料，無毒無污染，質輕堅固，隔音隔熱、保溫保暖，防火、防震等；

環保：無污染，抗腐蝕，各種過濾網的優選材料；

其他：農業綠色大棚支架，體育器材（如釣魚竿、高爾夫球杆等）。

四、玄武岩新材料可以形成廣泛的產業鏈

玄武岩材料產業從原料尋找、開採、加工、運輸，到纖維、岩棉、鱗片等新型材料的生產和實用產品的開發研製、加工，以及智能化、集約化新技術的應用，市場運作，能形成廣闊的產業鏈，結成大的產業聯盟。

圖2 玄武岩纖維材料產業鏈示意圖

這種新產業能形成廣泛的產業鏈，具有廣闊的發展空間。國家對這種新型材料給予高度重視。國家中長期科學和技術發展規劃綱要 (2006-2020年) 和“十三五”、“十四五”發展規劃都把新材料的研究與開發作爲重要的目標，國家發展和改革委員會公佈的《產業結構調整指導目錄》也重點鼓勵和優先推廣玄武岩新材料的研發、生產及應用。全國許多省市自治區建立和發展了這個新型產業，研發和生產機構猶如雨後春筍，蓬勃發展。

作者簡介：

劉嘉麒，滿族，1941年5月生於遼寧省丹東市，籍貫北鎮市，地質學家，中國科學院院士，1967年長春地質學院研究生畢業，1986年中國科技大學研究生院畢業獲理學博士學位，曾任中國科學院地質研究所所長、中國第四紀研究委員會主任，現任中國科學院地質與地球物理研究所研究員，中國科學院大學、 河北地質大學、鄭州大學等大學兼職教授，中國世界遺產專家委員會主任，國際單成因火山專業委員會聯合主席等職，承擔和主持過多項國家級和國際合作項目，系統研究了中國火山，開拓了瑪珥湖高分辨率古氣候研究和在火山岩中尋找油氣藏的新領域，參與了國家關於東北、新疆、浙江沿海和淮河流域等地區發展的戰略研究，在火山學、第四紀地質環境學、玄武岩新材料等方面做了大量系統性創新工作，獲得國家自然科學二等獎和科技進步二等獎各一項、中國科學院自然科學一等獎和科技進步一等獎各一項，以及國家海洋局科技進步特等獎、首屆侯德封獎等獎項；2001年被中國科協評爲“全國優秀科技工作者”，2016年被國家科技部、中宣部、中國科協評爲“中國科普工作先進工作者”，2019年被中國老科協評爲“先進個人”，2020年獲得中國科學院大學領航獎（金獎）、李佩教學名師獎，2023年被評爲“北京市最美科技工作者”。