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:

 

公司名称
主要产品
所在省份
湖北汇尔杰玄武岩纤维有限公司
玄武岩纤维
湖北
四川帕沃可矿物纤维制品有限公司
连续玄武岩纤维丝、玄武岩离心纤维棉等
四川
四川谦宜复合材料有限公司
高性能连续玄武岩纤维及精深加工制品
四川
四川省玻纤集团股份有限公司
连续玄武岩纤维、无碱玻璃纤维细纱、玻璃纤维布等
四川
四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司
玄武岩纤维及复合材料
四川
四川炬原玄武岩纤维科技有限公司
玄武岩纤维及制品
四川
四川衡耀复合材料科技有限公司
玄武岩/碳纤维运动器材(自行车车架、安全帽等)
四川
四川拜赛特高新科技有限公司
连续玄武岩纤维制品
四川
四川金硅丝新材料有限公司
玄武岩纤维复合材料管道
四川
四川科润汇鑫新材料科技有限公司
玄武岩纤维制品
四川
北理同创(会东)新材料科技有限公司
玄武岩纤维及制品(光伏组件)
四川
四川航天拓达玄武岩纤维开发有限公司
玄武岩连续纤维制品及其设备(管道、复合筋、涂料等)
四川
中能建(广安)高性能纤维复合材料科技有限公司
玄武岩纤维制品
四川
江苏天龙玄武岩连续纤维股份有限公司
连续玄武岩纤维及制品
江苏
江苏绿材谷新材料科技发展有限公司
玄武岩纤维复合材料
江苏
江苏炫坤玄武岩纤维科技有限公司
玄武岩纤维制品
江苏
浙江石金玄武岩纤维股份有限公司
连续玄武岩纤维及复合材料
浙江
海宁安捷复合材料有限责任公司
玄武岩纤维复合材料
浙江
吉林通鑫玄武岩科技股份有限公司
汽车/轨道客车轻量化材料及部件
吉林
吉林省华阳新材料研发有限公司
汽车轻量化、航空航天复合材料制品
吉林
郑州登电玄武石纤有限公司
玄武岩纤维及制品
河南
承德泰航新材料科技有限公司
玄武岩纤维及制品
河北
山西晋投玄武岩开发有限公司
玄武岩纤维及制品
山西
山西巴塞奥特科技有限公司
连续玄武岩纤维及复合材料
山西
山东森泓工程材料有限公司
玄武岩纤维工程材料
山东
潍坊中创新材料科技有限公司
连续玄武岩纤维及制品
山东
山东聚源玄武岩纤维股份有限公司
玄武岩纤维及制品
山东
新疆拓新玄武岩实业有限公司
玄武岩纤维丝
新疆
新疆沃宇纺织新材料有限公司
玄武岩纤维制品
新疆
重庆智笃新材料科技有限公司
玄武岩纤维复合材料
重庆
中纤新材料科技(承德)有限公司
玄武岩纤维及制品
河北
衡水瑞纤新材料科技有限公司
玄武岩纤维材料
河北
武汉通鑫新材科技有限公司
汽车轻量化材料
湖北
武汉市中鼎经济发展有限责任公司
玄武岩纤维相关
湖北
吉林省玖鑫玄武岩产业有限公司
玄武岩纤维及制品
吉林
熔石新材料(天津)科技有限公司
高强玄武岩纤维
天津
源单新材料科技(成都)有限责任公司
玄武岩纤维制品
四川

 

作者 808, ab