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 玄武巖本是我國常見的一種普通鋪路石料，但經(jīng)過特殊手段處理后，它卻能改變形態(tài)，變成一種泛著金屬光澤的高性能纖維材料——玄武巖纖維。這種纖維的強韌度是鋼材的5到10倍，重量卻是同體積鋼材的三分之一左右，相比之前，應(yīng)用價值大大提升。因此，有人形象地把它的制造技術(shù)稱為“點石成金術(shù)”。

高質(zhì)量發(fā)展的實現(xiàn)離不開強大的新材料支撐。“十三五”期間，國家將玄武巖纖維列為重點發(fā)展的四大纖維材料之一，今年年初施行的《重點新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄（2019年版）》也再次將玄武巖纖維列入關(guān)鍵戰(zhàn)略材料。

近年來，我國玄武巖纖維制造技術(shù)加速發(fā)展，取得許多新成果，為新基建、智能制造等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了強大支持。

從普通鋪路石到高新纖維材料

常看武俠劇的人，一定會對劇中的一種神奇盔甲印象深刻：它們由“金絲”制成，穿在身上不僅輕便，還能刀槍不入，是頗具神秘色彩的寶物。而現(xiàn)如今，科研人員真的制造出了這種神秘盔甲，它們不僅堅韌輕便，還被賦予了更多強大功能。

比如，消防隊員們在火海中沖鋒，他們的“盔甲”能夠隔熱、耐高溫；宇航員們在太空遨游，他們的“盔甲”能阻擋輻射；船舶在海中航行，它們的“盔甲”既有韌性，還能防腐；大橋架通南北，它們的“盔甲”堅固耐磨，還不沉重……

制作這樣的“盔甲”，常見的金屬材料已然無法滿足上述使用要求。但一種高新纖維材料——玄武巖纖維卻能做到。

將玄武巖礦石粉碎磨粉后倒入熔爐，在超過1200攝氏度的高溫加熱下，粉料變成了液體狀態(tài)。這些溶液經(jīng)過澄清冷卻和均質(zhì)化后，通過漏板，在拉絲機的高速牽引下，像棉花糖一樣被拉成一根根7至20微米的細絲，這就是玄武巖纖維。

雖然一根玄武巖纖維絲的直徑只有頭發(fā)絲的三分之一，但其強度卻是同等直徑鋼纖維的兩倍，比合金耐腐蝕，能耐受500攝氏度的高溫。加捻的玄武巖纖維像棉線，織成布可以用來做防護服。將玄武巖纖維和高分子基體采用特定的工藝成型后制得的纖維增強復(fù)合材料則具有高強度比，可以用來制造坦克、艦船、飛機的外殼。更可貴的是，玄武巖是一種天然礦石，制造玄武巖纖維的過程中基本沒有有害物質(zhì)排出，對環(huán)境污染很小。

玄武巖纖維的應(yīng)用范圍十分廣泛，在航空、航天、建筑建材、道路橋梁建設(shè)、艦艇船舶制造、風力發(fā)電等領(lǐng)域都能大展身手。

中國公路學(xué)會專家委員會副主任侯金龍介紹：“路用玄武巖纖維可以有效降低路面的裂縫和車轍的病害，大大延長路面使用壽命，在改善和提升路面結(jié)構(gòu)高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性等方面均有顯著效果。”

2018年年底，著名的南京長江大橋經(jīng)過封閉維修，再次通車。升級版的南京長江大橋就在關(guān)鍵部位使用了玄武巖纖維。玄武巖纖維有優(yōu)異的抗拉增強性能，大橋施工人員將玄武巖纖維與混凝土構(gòu)件粘結(jié)，對大橋進行加固，讓橋梁更輕盈、更長壽。此外，我國在杭金衡高速公路、鄭萬高速鐵路以及南海島礁等工程的建設(shè)中也用到了玄武巖纖維。

“玄武巖纖維技術(shù)出現(xiàn)僅30年，世界各國對該技術(shù)的應(yīng)用都處于初級階段。”中科院地質(zhì)與地球物理研究所研究員劉嘉麒介紹，現(xiàn)在全世界生產(chǎn)的玄武巖纖維甚至不能滿足需求的百分之一。同時，我國玄武巖資源十分豐富，甘肅、黑龍江、新疆、山西、四川等地均有大量的玄武巖礦產(chǎn)資源分布。如果這些大部分被用來鋪路的石頭得到充分利用，變成纖維材料，將會對新材料產(chǎn)業(yè)有很大促進作用。

想讓礦石“聽話”需要攻克數(shù)十個難關(guān)

把堅硬的石頭熔化拉絲變成纖維，并非易事，尤其是當你面對的還是一種不那么“聽話”的石頭。

中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所研究員馬鵬程多年致力于玄武巖纖維研究，他告訴記者：“首先，玄武巖礦石屬于天然產(chǎn)物，化學(xué)成分波動性較大，因此，在制備中玄武巖纖維的性能本身就不穩(wěn)定。其次，從玄武巖礦石到玄武巖纖維需要經(jīng)過熔制和纖維成型兩個過程。在玄武巖熔制過程中，礦石中的多種礦物逐步熔化，一旦有未完全熔化的晶相存在，便很容易形成二次結(jié)晶的晶核；在玄武巖纖維成型過程中，玄武巖熔融體也有不同程度的析晶傾向。這種析晶是需要盡量避免的，否則將影響纖維的特性和最終產(chǎn)品的質(zhì)量。”

令人自豪的是，中國是目前全世界少數(shù)幾個掌握了玄武巖纖維拉絲生產(chǎn)技術(shù)的國家。馬鵬程表示，我國對玄武巖纖維的研究雖然起步較晚，但經(jīng)過不斷的艱難探索，科研人員和相關(guān)企業(yè)攻克了不少制造技術(shù)的難關(guān)，實現(xiàn)了玄武巖纖維的批量生產(chǎn)并形成一定市場規(guī)模。

玄武巖熔融拉絲全電熔池窯技術(shù)是我國的自主創(chuàng)新技術(shù)。6月22日，我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的世界首套玄武巖連續(xù)纖維萬噸級池窯生產(chǎn)線正式投產(chǎn)。7月1日，玄武巖纖維2400孔漏板拉絲智能化池窯生產(chǎn)線也點火投產(chǎn)。

萬噸級池窯生產(chǎn)線所在的四川省玻纖集團有限公司技術(shù)部經(jīng)理李軍介紹，與傳統(tǒng)工藝相比，池窯法工藝作業(yè)穩(wěn)定、自動化程度高，可以讓巖石的熔化率更高，能夠同比降低生產(chǎn)成本40%以上，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

“完全自主設(shè)計的熔化窯爐是整條生產(chǎn)線最核心的裝備。”李軍表示，“所謂‘全電熔池窯’，是指窯爐在礦物料熔化過程中全部采用電能作為能源，通過在玄武巖熔液的內(nèi)部放置電極，采用內(nèi)部加熱方式完成巖石熔融。”

為解決玄武巖在熔制過程中不穩(wěn)定的問題，相關(guān)企業(yè)的研究人員對玄武巖纖維池窯拉絲技術(shù)進行了大量攻關(guān)研究，經(jīng)歷過無數(shù)次的失敗與無數(shù)次的嘗試，攻下了數(shù)十個難題。比如，為了讓玄武巖在制造中更加穩(wěn)定，技術(shù)人員在礦石原料選取階段通過大數(shù)據(jù)進行優(yōu)選，確保礦石原料的品位較高。在粉碎制料階段，通過全球首創(chuàng)的原料空氣動力粉碎、均質(zhì)化等技術(shù)方式，提升原料礦物組分的穩(wěn)定性。在熔融階段，通過設(shè)計大型單元池窯的方式，解決了玄武巖礦物原料熔化能力小和均勻性差的難題；通過采用純氧燃燒與電助熔相結(jié)合的方式，解決了玄武巖熔化溫度高的難題。

為降低玄武巖拉絲成本，改善纖維絲的品質(zhì)，技術(shù)人員在溶液變成細絲的關(guān)鍵設(shè)備——漏板上做文章，力爭在拉絲過程中不僅實現(xiàn)一拖多個漏板，而且盡可能多地增加每個漏板的孔數(shù)。

“新材料是近些年才開始興起的，我們沒有太多國外成熟的技術(shù)可以引進，注定要自主創(chuàng)新。通過科技手段，讓玄武巖這樣一個低附加值的產(chǎn)品煥發(fā)出它的勃勃生命力，這是我們科研工作者的理想和使命。”馬鵬程表示。

我國部分新材料技術(shù)創(chuàng)新已進入“無人區(qū)”

材料是制造業(yè)的基礎(chǔ)，塑造著大國的筋骨。

中國工程院院士干勇表示，以新一代信息技術(shù)、新能源、智能制造等為代表的新興產(chǎn)業(yè)對材料提出了更高要求，新材料的研發(fā)難度前所未有，創(chuàng)新難度不斷加大。可以說，我國部分新材料技術(shù)創(chuàng)新已進入“無人區(qū)”。

就玄武巖纖維來說，如何通過技術(shù)創(chuàng)新，讓這種材料性能更強大、價格更親民，是科研工作者和生產(chǎn)制造者們下一步要解決的問題。

在玄武巖礦藏豐富的新疆，中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所（以下簡稱新疆理化所）建立了基于國內(nèi)地理、地質(zhì)等因素考慮的中國玄武巖纖維材料大數(shù)據(jù)庫，形成玄武巖纖維領(lǐng)域的數(shù)據(jù)共享和大數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)庫成果可以用來指導(dǎo)纖維拉絲過程，為開發(fā)高性能玄武巖纖維材料提供技術(shù)可行性。

新疆理化所的研究助理邢丹介紹，以前，玄武巖纖維是一種不導(dǎo)電的纖維，因而被默認為是一種絕緣材料。但近年來，科研人員利用玄武巖纖維本身含有的金屬元素實現(xiàn)了碳納米材料在纖維表面的可控生長，獲得了導(dǎo)電纖維材料，顛覆了傳統(tǒng)玄武巖纖維是絕緣體的概念，增加了玄武巖纖維的功能價值、拓展了材料在電磁屏蔽等領(lǐng)域的應(yīng)用。

同時，隨著我國探月工程的推進，科研人員已經(jīng)在探究用月球表面分布的玄武巖質(zhì)月壤制作連續(xù)纖維的可行性。研究結(jié)果表明，月壤與地球玄武巖礦石具有相近的化學(xué)成分、礦物相組成和類似的成纖行為。

不僅是玄武巖纖維，資料顯示，近年來，我國新材料創(chuàng)新體系日趨完善，制造業(yè)創(chuàng)新中心、技術(shù)創(chuàng)新中心、國家重點實驗室、產(chǎn)業(yè)基地等已達到400家左右，相關(guān)創(chuàng)新性成果不斷涌現(xiàn)。

今年5月，西南交通大學(xué)等科研團隊研發(fā)出一種高強阻燃型玻璃纖維復(fù)合材料。這種材料可以應(yīng)用在軌道交通領(lǐng)域，通過給軌道電力、應(yīng)急設(shè)施“穿上”高強阻燃型玻璃纖維的新材料“盔甲”，軌道的強度、阻燃、耐腐蝕、絕緣、導(dǎo)熱、耐水等性能指標均可實現(xiàn)較大提升。

馬鵬程表示，其實新材料不見得是一種全新物質(zhì)，通過科技手段對傳統(tǒng)材料進行創(chuàng)新轉(zhuǎn)化，也是新材料的一種。隨著新材料研究的推進，未來，不僅是石頭，植物、金屬等日常生活中司空見慣的東西都能華麗變身，為我們的生活帶來不一樣的全新感受。（王雅慧）