在现代材料科学领域,古老传说中“点石成金”,正以科技的方式照进现实:一种以天然玄武岩矿石为原料,经高温熔融拉丝制成的具有金属光泽的高性能纤维材料——玄武岩纤维,凭借其优异性能与绿色制造属性,被誉为“21世纪的绿色工业材料”。
作为我国四大高性能纤维(碳纤维、芳纶、超高分子聚乙烯纤维、玄武岩纤维)之一,玄武岩纤维性能接近T300级碳纤维、玻璃纤维显着领先,价格则碳纤维十分之一、与高玻璃纤维处相同量级,具有高强度、高模量、抗腐蚀、耐高温、绝热隔音等优点,在国防军工、航空航天、交通运输、建筑施工、车船制造等各个领域发挥着关键作用。

△ 玄武岩纤维成品 图源网络
下面,我们从原材料、纤维制备及应用等方面,对玄武岩纤维做详细介绍。
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一、从天然矿石到高性能纤维——玄武岩纤维的制备与特性
玄武岩纤维(Basalt Fiber,简称BF)是以天然玄武岩矿石为原料,将矿石破碎后加入熔窑中,经1450℃-1500℃高温熔融后,通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制,再涂覆浸润剂后制备而成的连续无机纤维。
△ 玄武岩纤维拉丝生产工艺流程图
△ 玄武岩纤维池窑示范线拉丝生产工艺流程图 图源四川谦宜官网
玄武岩纤维通常单丝直径在5-25微米,具有高强度、高模量、电绝缘、耐腐蚀、耐高低温、抗辐射、抗氧化、耐水性、低吸湿性、耐久性好等多种优异性能,且在生产过程中,无有害气体、废水排放,不产生废渣,废弃后可回收并自然降解,环境污染小,是一种无机环保绿色高性能纤维材料。
△ 玄武岩纤维拉丝 图源阿拉尔经济技术开发区公众号
与其他纤维相比(如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维),玄武岩纤维的独特之处在于其"综合性能均衡+绿色环保",堪称“材料界的六边形战士”。
△ 连续玄武岩纤维性能(力学、热学、化学及其他性能)示意图 图源王子焱等,连续玄武岩纤维生产与制品开发现状分析[J].
1.力学性能好,轻而强韧
●密度低:约为2.65-3.00 g/cm³
●高强度:拉伸强度可达3000-4800MPa,与高强度玻璃纤维相当,是E-玻璃纤维的1.4~1.5倍,比大丝束碳纤维、芳纶等都要高,接近低碳钢的2倍,;
●高模量:弹性模量90-110GPa,比玻璃纤维高15%-20%,断裂伸长率为3.2%,意味着更抗变形;
表 连续玄武岩纤维力学性能对比

2.耐温性和热稳定性
●优异的耐高低温性:长期使用温度-260℃至700℃(短期耐受1200℃),在高温环境下强度保持率远超玻璃纤维(普通玻纤300℃以上强度骤降),热传导系数较低(仅为0.031,是T-300碳纤维的千分之五、芳纶的三分之一),热膨胀系数最高,热损失很低;
3.化学稳定性好,抗腐蚀性能强
●化学稳定性:玄武岩纤维含有的K2O、MgO、TiO2等成分对提高纤维耐化学腐蚀及防水性能起到重要的作用,在海水、化工介质中浸泡数年无明显性能衰减。
4.其他性能
● 绝缘与透波:玄武岩纤维属于无机物,电绝缘性优异(体积电阻率>10¹²Ω·cm),同时低介电损耗(适合高频通信领域);
● 吸音降噪:内部多孔结构可有效吸收声波,吸音系数最高达0.99,可用于建筑吸音板或交通降噪屏障;
● 热膨胀系数低:接近金属(如铝),与复合材料基体结合时不易因温差变形开裂。
● 环保性能:原料是取自天然的玄武岩矿石,无需化学合成,生产过程中无“三废”排放,废弃可回收降解,不会对环境造成污染;
△ 玄武岩纤维织物 图源四川航天拓鑫
二、应用领域:从“高精尖”到民生日常
凭借综合性能优势,玄武岩纤维广泛应用于航空航天、国防军工、交通运输、新能源、建筑施工、海洋工程、石油化工、市政民生等多个领域,成为传统材料的升级替代方案。
1.国防军工与航空航天
玄武岩纤维优异的力学性能、耐高低温、耐腐蚀等性能,可作为增强体制备出性能优异的复合材料,可用于空间站内部结构、航空发动机涡轮叶片、航天发射场拦截网、导弹壳体、坦克装甲车体、无人机结构件等,减重同时提升抗冲击性,还可用于热防护系统,作为火箭发动机喷管隔热层、航天器耐温防护罩等。
△ 嫦娥六号携带至月球的五星红旗采用玄武岩纤维制成
2.交通运输
●交通运输领域:可用于汽车轻量化部件(车身结构件、内饰件、摩擦材料等),降低整车重量,提升续航;也可用于新能源汽车电池模组防火隔热材料(防火布、气凝胶等);还可用于轨道交通(轨道列车车身外皮、内饰、轨道架设材料等)。
△ 采用玄武岩纤维LFT制成的仪表板支架,图源四川谦宜
△ 玄武岩纤维增强气凝胶高效隔热复合材料 图源智笃科技
一汽红旗在国内率先将玄武岩纤维规模化引入汽车产业,在部分内饰部件采用了玄武岩纤维复合材料,让部件在保持原有性能基础上减重20%以上,还有低气味的优点。
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3.新能源领域:
●风电叶片:可作为玻璃纤维的补充,增强叶片根部抗疲劳性能,延长使用寿命;
●氢能储存:用于储氢罐内胆增强层,耐高压(>70MPa)且抗氢脆;
●光伏边框与支架:以玄武岩纤维增强复合材料制成的玄武岩纤维光伏支架,具有力学性能优异、耐腐蚀、不导电、密度低、使用寿命长、综合成本低等优势,特别适用于环境苛刻的海上、盐碱地等特殊光伏应用场景。
△ 玄武岩纤维复材光伏支架 图源 恩贝斯
4.建筑工程
●道路桥梁与建筑工程:采用高强度的玄武岩纤维及乙烯基树脂(环氧树脂)经拉挤、缠绕复合成型的复合筋,抗拉强度高,抗腐蚀,绝缘、隔热性能好,可在道路桥梁、建筑工程、海洋工程中部分替代钢筋;玄武岩纤维还可作为混凝土添加剂提升抗裂性,用于路面沥青提高路面耐磨性、降低路面噪音,制成土木格栅用于路基增强路面补强等。
△ 玄武岩纤维复合筋 图源沃宇玄武岩
● 建筑保温:玄武岩纤维毡用于墙体隔热层(导热系数低至0.035W/(m·K)),兼具防火(A级不燃)与隔音功能。
5.石油化工
●油气管道:玄武岩纤维缠绕管道具有高强度、耐腐蚀、耐高温等特点,使用寿命是传统管道的5~10倍,密封性能好,可广泛应用于引水、油田注水、输液、油气传输等。
6.民生应用
●消防安全:玄武岩纤维具有出色的可编织性,可织成防火布、防火毯、消防服、隔热布等用于消防防护与救援。
△ 由玄武岩纤维再加工制作的面料,用1200℃的火枪喷10秒无明显变化 图源长江日报
●市政工程与教育家具:玄武岩纤维复合材料可用于市政工程中的花箱、井盖、步道板等,以及乒乓球台、篮球板、课座椅等教育家具,耐高温、耐老化、耐冲击、耐磨损、防火防潮。
三、国内玄武岩纤维产业布局
中国在玄武岩纤维材料的研制与开发上较国外晚(乌克兰、俄罗斯、美国、欧盟等),但发展速度快。20世纪末开始借鉴前苏联玄武岩生产技术,逐步搭建工业化生产线,逐渐具备专业研发和生产玄武岩纤维的能力,自主研发了全电熔池窑拉丝技术。
同时,基础研究方面,国内不少高校研究机构、科研院所等相继建立玄武岩纤维相关的研究开发。此外,2002年玄武岩连续纤维及其复合材料被列入国家“863计划”开始,国内陆续出台相关政策,大力扶持玄武岩纤维产业发展。
在政策支持、技术创新和市场拓展的多重驱动下,我国玄武岩纤维产业快速发展,已经成为世界上拥有最领先的玄武岩纤维生产技术的少数国家之一,形成了从原丝、复合材料到产品应用的全产业链布局,总产能和产量世界第一。
据东南大学和达州高新区管委会联合发布的《2024年玄武岩纤维及复合材料行业发展报告》显示,近年来全球玄武岩纤维产量呈现增长态势,2024年全球超六成的玄武岩纤维产自中国。据不完全统计,2024年全球玄武岩纤维年产能达到50万吨、产量8万吨,其中我国产能30万吨、产量5万吨。
从终端使用形式看,玄武岩纤维复合材料占据超过58%的市场份额;从终端使用行业看,建筑与基础设施、汽车及运输分别占了34%份额。
目前,国内规模生产玄武岩纤维的企业约数十家,主要分布在四川、山东、山西、吉林、黑龙江、辽宁、江苏、贵州、新疆等地,并形成一定规模的产业集群。相关企业有:
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