第二节 玄武岩连续纤维（CBF）
玄武岩纤维材料是以火山喷发形成的特定玄武岩为原料生产出的连续纤维、岩棉和细微鳞片等产品，具有综合性能好、性价比高等优势，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，无污染，是高性能的绿色工业材料，是关乎国家安全战略以及国民经济相关领域升级换代的重要基础材料之一，应用前景十分广阔。如果说人类在使用材料方面先后经历了旧石器时代、新石器时代、铜时代、铁时代……那么现在应该是“硅”时代。即从金属走向非金属，从自然、人工（合成）走向自然与人工（合成）高度统一的复合材料的新时代。方兴未艾的玄武岩纤维材料将会成为这个新材料时代的重要代表之一。
玄武岩纤维（basaltfiber，BF），也被称为“岩石之丝”，是玄武岩矿石在1450～1500℃熔融后制得，包括两类产品形式：一类是纯玄武岩棉，长度为几毫米，单丝直径通常在5μm以下，是将均质化的玄武岩熔体经喷吹成毡制得；另一类是玄武岩连续纤维（continuous basaltfiber，CBF），是将玄武岩破碎加入窑炉中高温熔融后通过铂铑合金拉丝漏板快速拉制而成，长度可达上万米，直径通常为7～13μm。CBF属于非人工合成的高性能无机纤维，颜色呈金褐色，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨、抗辐射等一系列性能特点，其性能介于高强度S玻璃纤维和无碱E玻璃纤维之间，在某些应用领域完全可以替代玻璃纤维乃至价格昂贵的碳纤维和芳纶，在玄武岩纤维材料中占有非常重要的地位。玄武岩纤维外观及其产品见图2-5。
一、玄武岩纤维的发展简史
玄武岩连续纤维于1953～1954年由前苏联莫斯科玻璃和塑料研究院开发，第一台工业化生产炉与1985年在乌克兰纤维实验室建成投产。1991年的苏联解体对CBF产业产生了极大的影响，在随后的十几年，发展陷于停滞。在2002年以前，前苏联每年大约有500t玄武岩连续纤维产品，主要用于军工行业。近几年来，随着经济的发展和环保概念的深入人心， CBF再次走向前台。目前，全世界只有乌克兰、俄罗斯、格鲁吉亚、中国、韩国、奥地利、比利时和德国等少数国家拥有CBF工业生产技术，全世界生产厂家不超过20家，主要集中于乌克兰、俄罗斯和中国，形成三足鼎立的格局。
图2-5 玄武岩纤维及其产品
我国的玄武岩纤维材料事业起步较晚，但发展很快，自从2002年9月科技部把“玄武岩连续纤维及其复合材料”项目列入国家863计划之后，各地生产厂家迅速增加，生产规模不断扩大，产品种类越来越多，技术水平明显提高。目前，我国已经颁布了CBF国家标准和行业标准，CBF生产厂家多达20家左右，到2015年年底产能在3000～5000吨/年的有10家，其他均为1000吨/年以下。岩棉厂家有40家，产能大都为5万吨/年。目前，我国CBF产量已经超过国外总量（图2-6），整个玄武岩纤维材料行业呈现出欣欣向荣的局面。
图2-6 我国CBF产量与其他国家对比
二、玄武岩连续纤维的制备
玄武岩连续纤维的制备方法是池窑拉丝法（高温熔融+拉丝），制备工艺流程（图2-7）一般是经选料、破碎、清洗后，输送至窑炉，加热到1500℃左右的熔融状态，通过铂铑合金漏板拉至成丝，再涂覆浸润剂，即加工成纤。
图2-7 CBF制备工艺流程图
1—料仓 2—喂料器 3—提升输送机 4—定量下料器 5—原料初级融化带 6—天然气喷嘴7—二级溶制带（前炉） 8—铂铑合金漏板 9—施加浸润剂 10—集束器 11—纤维张紧器 12—自动卷丝机
拉丝是玄武岩纤维制备的难点，由于玄武岩熔点高，透热性差，黏度大，易析晶，容易造成漏板堵塞，引起拉丝中断，并且析晶还会影响纤维的力学性能（如刚度、强度等）。玄武岩析晶上限温度约1300℃，因此，要求漏板温度在1350℃左右。如何突破熔融拉丝组合炉和浸润剂关键技术，一直是业界追求的目标。
三、玄武岩纤维的结构
玄武岩随原料产地的不同，其成分含量存在差异。玄武岩连续纤维的密度为2.6～3.05g/cm3，其主要成分见表2-2，各成分主要作用见表2-3。
表2-2 玄武岩纤维的主要成分
表2-3 玄武岩纤维各组分的作用
玄武岩纤维内部的主要成分硅、铝氧化物通过氧原子连接形成连续的线型晶格，因此，纤维具有纵向的高强度，由于晶链间有其他氧化物存在，纤维具有多孔结构和无规则的排列方式，其中的气孔可分为封闭气孔和开放气孔，分别呈圆球形和管状，所以玄武岩纤维光滑柔软，可纺性好。用SEM观察玄武岩纤维表面结构可以看到，纤维的表面非常圆滑，内部结构紧密，如图2-8所示。
图2-8 玄武岩纤维的纵向及横向结构照片
四、玄武岩纤维的性能
玄武岩纤维综合性能好，优良的性价比使其成为碳纤维、芳纶和其他高性能纤维的强有力的竞争材料。
1.拉伸强度、弹性模量和断裂伸长率 玄武岩连续纤维具有较高的拉伸强度、弹性模量和断裂伸长率，和其他纤维的比较见表2-4。
表2-4 玄武岩纤维与其他高性能纤维拉伸强度等性能的比较
续表
2.热稳定性 玄武岩纤维具有优良的热性能。在一些高性能纤维中，玄武岩纤维的耐热性非常突出。玄武岩纤维板的热导率低，在25℃下的热导率仅为0.04W/（m·K），玄武岩纤维工作温度非常宽（-269～900℃）长时间处于-196℃液氮介质中，其强度不发生变化。而玻璃纤维的使用温度不超过400℃。
3.隔音特性 玄武岩超细纤维材料的隔音特性如表2-5。
表2-5 玄武岩超细纤维材料的隔音特性
由表2-5可知，随着频率增加，其吸音系数显著增加。玄武岩纤维隔音和吸音效果好，用玄武岩连续纤维制作的隔音材料在航空、船舶等领域有着广阔的前景。
4.介电性能、电绝缘性能和电磁波的透过性 玄武岩纤维具有良好的介电性能，其体积电阻率比玻璃纤维要高一个数量级；玄武岩中含有质量分数不到20%的导电氧化物，可用于制造新型耐热介电材料。
玄武岩纤维具有比玻璃纤维高的电绝缘性和对电磁波的高透过性。由玄武岩纤维制造高压电绝缘材料、低压电器装置、天线整流罩以及雷达无线电装置的前景十分广阔。
5.化学稳定性 化学稳定性是指纤维抵抗水、酸、碱等介质侵蚀的能力，通常以受介质侵蚀前后的质量损失和强度损失来度量。表2-6为不同介质中纤维质量损失率。
表2-6 不同介质中纤维质量损失率
玄武岩纤维在酸、碱性溶液中具有很好的化学稳定性，具有比玻璃纤维更好的耐酸碱腐蚀性，此外，玄武岩纤维的耐酸性和耐碱性均比铝硼硅酸盐纤维好。
6.低的吸湿性 玄武岩纤维的吸湿性极低，吸湿率只有0.2%～0.3%，而且吸湿能力不随时间变化，这就保证了它在使用过程中的热稳定性和环境协调性好并且寿命长。玄武岩细纤维的耐水性远远优于玻璃纤维。
7.绿色环保性 由于玄武岩熔化过程中没有硼和其他碱金属氧化物等有害气体排出，制造过程对环境无害，而且玄武岩纤维能自动降解成为土壤的母质，可持续和循环利用，因此，玄武岩连续纤维是一种新型的环保型纤维。
五、玄武岩连续纤维的应用
玄武岩连续纤维与碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维等高技术纤维相比，除了具有高技术纤维高强度、高模量的特点外，还具有耐高温性佳、抗氧化、抗辐射、绝热隔音、过滤性好、抗压缩强度和剪切强度高、适应于各种环境等优异性能，且原料天然，生产清洁，可循环利用，能耗低，具有很高的性价比，因此，玄武岩连续纤维及其复合材料被广泛应用于消防、环保、航空、航天、军工、汽车船舶制造、工程塑料、建筑等各个领域，成为第四大高性能纤维。
1.CBF在防火隔热领域中的应用 CBF由于其本身的特殊性能，用于防火服领域有较大的优势。CBF是无机纤维，具有不燃性、耐温性（-269～650℃）、无有毒气体排出、绝热性好、无熔融或滴落、强度高、无热收缩现象等优点。缺点是密度较芳纶大，穿着的舒适感不如芳纶防火服。如果CBF与其他纤维混纺可制成阻燃面料，用于部队的相关装备显然是有明显优势的。CBF织成的防火布性能大大优于芳纶等有机纤维。CBF的高温使用性能虽然低于氧化铝纤维、炭化硅纤维，但是高于所有的有机纤维，而且其超低温使用性能是最好的。再从性价比看，CBF价格是所有高性能纤维中最低的。国外一直将杜邦的Kevlar、Nomex、Teflon作为防火面料的首选，虽然具有耐高温、抗化学反应的性能，但是在370℃以上的高温下被炭化和分解。
2.CBF在过滤环保领域的应用 CBF是一种新型的绿色环保材料，可用于环保领域有害介质和气体的过滤、吸附和净化，特别是在高温过滤领域，CBF的长期使用温度是650℃，远优于传统过滤材料，是过滤基布、过滤材料、耐高温毡的首选材料。过滤材料主要有天然纤维、各种合成纤维、各种无机纤维和金属纤维。由于对耐高温提出了更高的要求，又引进了Nomex、Procon、Torcon、Basfil、P84等。但是，目前所有的过滤材料都不能解决过滤高温介质的问题，而CBF可以在-269～650℃的范围内长期使用，它的耐高温性能是其他材料所无法比拟的。
3.CBF增强树脂基复合材料的应用 CBF具有良好的技术特性：低容重，低导热率，低吸湿率，对腐蚀介质的化学稳定性，能够降低结构重量，形成新型结构材料。利用这些特性，在军品和民品领域有广泛的应用。玄武岩纤维增强树脂基复合材料是制造坦克装甲车辆的车身材料，可减轻其重量；用于制造火炮材料，尤其是用于炮管热护套材料，可以大大提高火炮的命中率和射击精度。在枪弹、引信、弹匣、大口径机枪枪架、坦克装甲车辆的薄板装甲、汽车发动机罩、减振装置等方面有大量的应用。在船舶工业中可大量用于船壳体、机舱绝热隔音和上层建筑。用CBF蜂窝板可制成火车车厢板，既减轻了车厢的重量，又是一种良好的阻燃材料。CBF具有良好的增强效应，单纤维拔丝试验表明，CBF与环氧聚合物的黏合能力高于E玻璃纤维，而且在采用硅烷偶联剂处理后其黏合能力还会进一步提高，因此，玄武岩纤维可以代替即将禁用的石棉来作为耐高温结构复合材料，橡胶制品等增强材料，也可用于制作制动器、离合器等摩擦片的增强材料。另外，CBF还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，是目前为止唯一的无环境污染的、不致癌的绿色健康玻璃质纤维产品。所以玄武岩纤维在复合材料的增强材料领域的应用，已引起广泛的重视并将快速发展。
4.CBF在电子技术领域的应用 CBF具有良好的介电性能，其含有较多的导电氧化物，是不适合做介电材料的，但是采用某种浸润剂处理纤维表面后，其介电损失角正切值比常规玻璃纤维大大降低，它的体积电阻率比E玻璃纤维高一个数量级，所以CBF非常适合用于耐热介电材料。CBF是优良的绝缘材料，利用这一介电特性和吸湿率低、耐温好的特性，可以制成高质量印刷电路板。此外，CBF还可以用作风力发电叶片的增强材料。
六、玄武岩纤维目前存在的问题及发展前景
我国有丰富的玄武岩资源，几乎每个省区都能找到玄武岩类岩石，尤其是东北地区、内蒙古、新疆和四川、贵州、云南、西藏玄武岩资源更为丰富，它不仅分布广，储量大，而且类型多，这不同类型的玄武岩正好适应和满足了不同类型纤维和岩棉对不同类型玄武岩的需求。
在没有开发玄武岩纤维材料之时，玄武岩这种石料几乎白白地堆在荒野中，用得最多的是作铺路石子，通常1m3石块可碎3t碎石，每吨价值几百元；而要制成纤维材料，1m3石料大体可生产3t岩棉，每吨价值约6000元；或生产2.5t纤维，每吨价值30000～50000元（视纤维类型和质量而定价）。玄武岩纤维材料的性能可以与碳纤维媲美，但价格不及碳纤维的1/10，由此也可看出，玄武岩纤维材料的性价比非常高。
玄武岩纤维材料其性能和用途均可以与玻璃纤维、芳纶、碳纤维媲美，可代替乃至优于这几种纤维。而生产这几种纤维的原料是多种矿物、矿产或石油，如果用玄武岩纤维材料部分或者全部代替其他纤维材料，则可以大大地节省一批矿产资源和能源。
当今社会经济转型的主流和导向就是发展绿色经济。而玄武岩是无机硅酸盐，在玄武岩纤维的生产过程中，无废气、废物及有毒物质释放，完全是绿色产业，这与在熔制过程中产生大量温室气体和废气的玻璃纤维产业相比有着本质的区别。因此，符合社会经济发展的大趋势，随着时间地点推移，会越来越显现出这个产业的生命力。
玄武岩纤维和岩棉只是玄武岩纤维材料的初级产品，犹如丝线和棉花，要制成防火、防电、绝缘、耐高温、耐低温、耐磨损、抗腐蚀、抗干扰、抗老化等性能的实用定型产品，还有相当长的路要走，需要许多行业的通力合作。从原料寻找、开采、加工，纤维材料生产，到实用产品的研究制作，可以形成广阔的产业链，有利于发展经济和扩大就业机会。
目前，玄武岩纤维材料在全世界的发展都处于初级阶段，我国虽然起步较晚，但发展态势很好，已为这项事业的发展奠定了良好的基础。目前存在的主要技术问题如下：
（1）天然原料地域间分散性大，要生产出质量稳定的产品，需解决原料均质化的问题。
（2）单元炉容量小，需解决大容量池窑技术。
（3）拉丝漏板小，喷嘴孔数目前只有200～400孔，产能低，需发展800孔、1000孔甚至2400孔的漏板。
（4）表面处理技术单一，需发展独特的表面处理技术。
（5）纤维成型技术亟待加强，需提高自动化控制技术。
总之，需从多方面入手，促进玄武岩纤维的产品规模化、质量稳定化、性能高端化。
“十三五”期间我国CBF产业的基本发展思路可简单归纳为：一条路线（遵循纤维产业的发展规律，走差异化的特色路子）、两轮驱动（技术创新和市场开拓）、三大领域（交通基础设施、节能环保、汽车船舶制造）、四大产品（短切纤维、无捻粗纱、纤维布、复合筋和板）。
“十三五”期间我国CBF产业发展的目标是在2015年年末全国CBF销售量6000t的基础上，按不低于年平均增长率30%的比例增长，到2020年年末，我国连续玄武岩纤维的产量达到3万吨以上；CBF增强树脂基复合材料达到3万吨以上；CBF增强混凝土基复合材料达到250万方以上；池窑技术取得实质性突破，电熔炉技术引领世界CBF产业，单池窑年产能达到3000t以上，拉丝漏板孔数达到2000孔以上；我国成为世界CBF产业的第一大国。