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玄武岩纤维:既能造飞机又能做衣服的石头
来源:中央纪委国家监委  2020-08-18 14:15:49
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原文:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-246-9839.html       玄武岩本是我国常见的一种普通铺路石料,但经过特殊手段处理后,它却能改变形态,变成一种泛着金属光泽的高性能纤维材料——玄武岩纤维。这种纤维的强韧度是钢材的5到10倍,重量却是同体积钢材的三分之一左右,相比之前,应用价值大大提升。因此,有人形象地把它的制造技术称为“点石成金术”。


       高质量发展的实现离不开强大的新材料支撑。“十三五”期间,国家将玄武岩纤维列为重点发展的四大纤维材料之一,今年年初施行的《重点新材料首批次应用示范指导目录(2019年版)》也再次将玄武岩纤维列入关键战略材料。

       近年来,我国玄武岩纤维制造技术加速发展,取得许多新成果,为新基建、智能制造等新兴产业的发展提供了强大支持。


四川省玄武岩纤维生产企业的工作人员正在查看产品

       从普通铺路石到高新纤维材料


       常看武侠剧的人,一定会对剧中的一种神奇盔甲印象深刻:它们由“金丝”制成,穿在身上不仅轻便,还能刀枪不入,是颇具神秘色彩的宝物。而现如今,科研人员真的制造出了这种神秘盔甲,它们不仅坚韧轻便,还被赋予了更多强大功能。

       比如,消防队员们在火海中冲锋,他们的“盔甲”能够隔热、耐高温;宇航员们在太空遨游,他们的“盔甲”能阻挡辐射;船舶在海中航行,它们的“盔甲”既有韧性,还能防腐;大桥架通南北,它们的“盔甲”坚固耐磨,还不沉重……

       制作这样的“盔甲”,常见的金属材料已然无法满足上述使用要求。但一种高新纤维材料——玄武岩纤维却能做到。

       将玄武岩矿石粉碎磨粉后倒入熔炉,在超过1200摄氏度的高温加热下,粉料变成了液体状态。这些溶液经过澄清冷却和均质化后,通过漏板,在拉丝机的高速牵引下,像棉花糖一样被拉成一根根7至20微米的细丝,这就是玄武岩纤维。

       虽然一根玄武岩纤维丝的直径只有头发丝的三分之一,但其强度却是同等直径钢纤维的两倍,比合金耐腐蚀,能耐受500摄氏度的高温。加捻的玄武岩纤维像棉线,织成布可以用来做防护服。将玄武岩纤维和高分子基体采用特定的工艺成型后制得的纤维增强复合材料则具有高强度比,可以用来制造坦克、舰船、飞机的外壳。更可贵的是,玄武岩是一种天然矿石,制造玄武岩纤维的过程中基本没有有害物质排出,对环境污染很小。

       玄武岩纤维的应用范围十分广泛,在航空、航天、建筑建材、道路桥梁建设、舰艇船舶制造、风力发电等领域都能大展身手。

       中国公路学会专家委员会副主任侯金龙介绍:“路用玄武岩纤维可以有效降低路面的裂缝和车辙的病害,大大延长路面使用寿命,在改善和提升路面结构高温稳定性、低温抗裂性等方面均有显著效果。”

       2018年年底,著名的南京长江大桥经过封闭维修,再次通车。升级版的南京长江大桥就在关键部位使用了玄武岩纤维。玄武岩纤维有优异的抗拉增强性能,大桥施工人员将玄武岩纤维与混凝土构件粘结,对大桥进行加固,让桥梁更轻盈、更长寿。此外,我国在杭金衡高速公路、郑万高速铁路以及南海岛礁等工程的建设中也用到了玄武岩纤维。

       “玄武岩纤维技术出现仅30年,世界各国对该技术的应用都处于初级阶段。”中科院地质与地球物理研究所研究员刘嘉麒介绍,现在全世界生产的玄武岩纤维甚至不能满足需求的百分之一。同时,我国玄武岩资源十分丰富,甘肃、黑龙江、新疆、山西、四川等地均有大量的玄武岩矿产资源分布。如果这些大部分被用来铺路的石头得到充分利用,变成纤维材料,将会对新材料产业有很大促进作用。

       想让矿石“听话”需要攻克数十个难关

       把坚硬的石头熔化拉丝变成纤维,并非易事,尤其是当你面对的还是一种不那么“听话”的石头。

       中国科学院新疆理化技术研究所研究员马鹏程多年致力于玄武岩纤维研究,他告诉记者:“首先,玄武岩矿石属于天然产物,化学成分波动性较大,因此,在制备中玄武岩纤维的性能本身就不稳定。其次,从玄武岩矿石到玄武岩纤维需要经过熔制和纤维成型两个过程。在玄武岩熔制过程中,矿石中的多种矿物逐步熔化,一旦有未完全熔化的晶相存在,便很容易形成二次结晶的晶核;在玄武岩纤维成型过程中,玄武岩熔融体也有不同程度的析晶倾向。这种析晶是需要尽量避免的,否则将影响纤维的特性和最终产品的质量。”

       令人自豪的是,中国是目前全世界少数几个掌握了玄武岩纤维拉丝生产技术的国家。马鹏程表示,我国对玄武岩纤维的研究虽然起步较晚,但经过不断的艰难探索,科研人员和相关企业攻克了不少制造技术的难关,实现了玄武岩纤维的批量生产并形成一定市场规模。

       玄武岩熔融拉丝全电熔池窑技术是我国的自主创新技术。6月22日,我国具有完全自主知识产权的世界首套玄武岩连续纤维万吨级池窑生产线正式投产。7月1日,玄武岩纤维2400孔漏板拉丝智能化池窑生产线也点火投产。

       万吨级池窑生产线所在的四川省玻纤集团有限公司技术部经理李军介绍,与传统工艺相比,池窑法工艺作业稳定、自动化程度高,可以让岩石的熔化率更高,能够同比降低生产成本40%以上,大大提高了产品质量和生产效率。

       “完全自主设计的熔化窑炉是整条生产线最核心的装备。”李军表示,“所谓‘全电熔池窑’,是指窑炉在矿物料熔化过程中全部采用电能作为能源,通过在玄武岩熔液的内部放置电极,采用内部加热方式完成岩石熔融。”

       为解决玄武岩在熔制过程中不稳定的问题,相关企业的研究人员对玄武岩纤维池窑拉丝技术进行了大量攻关研究,经历过无数次的失败与无数次的尝试,攻下了数十个难题。比如,为了让玄武岩在制造中更加稳定,技术人员在矿石原料选取阶段通过大数据进行优选,确保矿石原料的品位较高。在粉碎制料阶段,通过全球首创的原料空气动力粉碎、均质化等技术方式,提升原料矿物组分的稳定性。在熔融阶段,通过设计大型单元池窑的方式,解决了玄武岩矿物原料熔化能力小和均匀性差的难题;通过采用纯氧燃烧与电助熔相结合的方式,解决了玄武岩熔化温度高的难题。

       为降低玄武岩拉丝成本,改善纤维丝的品质,技术人员在溶液变成细丝的关键设备——漏板上做文章,力争在拉丝过程中不仅实现一拖多个漏板,而且尽可能多地增加每个漏板的孔数。

       “新材料是近些年才开始兴起的,我们没有太多国外成熟的技术可以引进,注定要自主创新。通过科技手段,让玄武岩这样一个低附加值的产品焕发出它的勃勃生命力,这是我们科研工作者的理想和使命。”马鹏程表示。

       我国部分新材料技术创新已进入“无人区”

       材料是制造业的基础,塑造着大国的筋骨。

       中国工程院院士干勇表示,以新一代信息技术、新能源、智能制造等为代表的新兴产业对材料提出了更高要求,新材料的研发难度前所未有,创新难度不断加大。可以说,我国部分新材料技术创新已进入“无人区”。

       就玄武岩纤维来说,如何通过技术创新,让这种材料性能更强大、价格更亲民,是科研工作者和生产制造者们下一步要解决的问题。

       在玄武岩矿藏丰富的新疆,中国科学院新疆理化技术研究所(以下简称新疆理化所)建立了基于国内地理、地质等因素考虑的中国玄武岩纤维材料大数据库,形成玄武岩纤维领域的数据共享和大数据分析,数据库成果可以用来指导纤维拉丝过程,为开发高性能玄武岩纤维材料提供技术可行性。

       新疆理化所的研究助理邢丹介绍,以前,玄武岩纤维是一种不导电的纤维,因而被默认为是一种绝缘材料。但近年来,科研人员利用玄武岩纤维本身含有的金属元素实现了碳纳米材料在纤维表面的可控生长,获得了导电纤维材料,颠覆了传统玄武岩纤维是绝缘体的概念,增加了玄武岩纤维的功能价值、拓展了材料在电磁屏蔽等领域的应用。

       同时,随着我国探月工程的推进,科研人员已经在探究用月球表面分布的玄武岩质月壤制作连续纤维的可行性。研究结果表明,月壤与地球玄武岩矿石具有相近的化学成分、矿物相组成和类似的成纤行为。

       不仅是玄武岩纤维,资料显示,近年来,我国新材料创新体系日趋完善,制造业创新中心、技术创新中心、国家重点实验室、产业基地等已达到400家左右,相关创新性成果不断涌现。

       今年5月,西南交通大学等科研团队研发出一种高强阻燃型玻璃纤维复合材料。这种材料可以应用在轨道交通领域,通过给轨道电力、应急设施“穿上”高强阻燃型玻璃纤维的新材料“盔甲”,轨道的强度、阻燃、耐腐蚀、绝缘、导热、耐水等性能指标均可实现较大提升。

       马鹏程表示,其实新材料不见得是一种全新物质,通过科技手段对传统材料进行创新转化,也是新材料的一种。随着新材料研究的推进,未来,不仅是石头,植物、金属等日常生活中司空见惯的东西都能华丽变身,为我们的生活带来不一样的全新感受。
文章来源:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-246-9839.html