我国挖出和稀土一样珍贵超级材料 各国军工都想拥有
资讯类型:行业新闻 加入时间:2019年9月6日12:1
  玄武岩是一种由火山喷发出的岩浆在地表冷却后,凝固而成的致密状或泡沫状结构岩石,由于其结构均一, 硬度高, 孔隙小,通常被用做公路、铁路、机场跑道等所需的优质建筑石材和装饰材料。然而却很少有人知道,玄武岩还可高温抽丝制成绿色环保的高性能纤维产品,并与碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维一道被共列为世界上四大高技术纤维产品。据有关资料统计,我国秦岭南麓、甘肃祁连山、黑龙江五大连池、吉林长白山、新疆准噶尔盆地、西藏喜马拉雅山、青海昆仑山、山西大同、四川盆地以及华南沿海一带都有大量的玄武岩矿藏分布,例如仅山西省大同境内就有绵延50平方公里的玄武岩火山岩,预估储存量为180亿吨,预估价值达3000亿元,其矿藏储量极为可观。
  因此我国用玄武岩矿石加工制成的连续玄武岩纤维,其原材料成本几乎可以忽略不计,与其它三种高技术纤维相比,有着极大的生产成本下降空间。与此形成鲜明对照的是,美国、俄罗斯、德国、英国、法国、日本、韩国等经济发达国家适合拉制连续纤维的火山玄武岩资源却并不多。本文根据国内外所发表的公开资料,对连续玄武岩纤维在国防及高科技领域的应用及我国连续玄武岩纤维最新发展近况做一简要背景解读。据公开资料报道,玄武岩纤维直径仅是头发丝的1/10,重量是同直径钢筋的1/3,抗拉强度是钢筋的4倍,使用温度更可高达700℃,以连续玄武岩纤维为增强体制成的各种性能优异的复合材料凭借其绝缘性能好、高温过滤性佳、抗辐射、透波性能佳,被广泛应用于航空航天、军工、消防、环保、汽车船舶制造、工程塑料、建筑等军民用领域,故连续玄武岩纤维也被誉为21世纪的新型材料,低端碳纤维材料的理想替代品,是一种“点石成金”的新型环保纤维。
  法国人Paul是想到用玄武岩拉制连续纤维的第一人,早在1922年就申请了相关专利,但在当时却并没有进行实质性的生产。直到1953年,由于其性能被当时前苏联政府所看好,并应用于本国的国防军事工业领域。但是当时生产连续玄武岩纤维的技术并不发达,生产效率低且耗资巨大,大量应用的还是技术较为简单的超细玄武保温岩棉。由于国防工业的迫切需求迫使前苏联科学家不断地进行生产工艺改良,直到1985年才在前苏联的乌克兰纤维实验室率先实现了连续玄武岩纤维工业化生产。它的基本原理是将玄武岩矿石在1450℃ 至1500℃熔融后,通过铂铑合金拉丝漏板制成连续纤维。其开发的200孔玄武岩熔融拉丝技术,使其能耗降低了 2.5 倍,从而大大减少了生产成本。20世纪90年代,由于前苏联的解体,玄武岩纤维的生产技术才被逐渐公开。


  在此之前,前苏联独创的玄武岩纤维产品主要应用于军工行业,很少向外界报道。例如1975年7月17 日与美国“阿波罗”号宇宙飞船对接的前苏联“联盟-19”号宇宙飞船,其结构材料上就应用了前苏联生产的连续玄武岩纤维(CBF)。俄罗斯还用连续玄武岩纤维制造了无磁抗振的新型的扫雷舰艇。虽然前苏联的解体从客观上影响了连续玄武岩纤维技术的进一步发展,但由于其自身拥有的独特优异性能,仍然引起了欧美日等国家的高度关注。例如2003年美国军方就直接收购了乌克兰国内一个年产能达1000吨的连续玄武岩纤维的生产工厂,其连续玄武岩纤维制品100%用于国防军工领域,目前产能已经提高到4000吨 /年,但具体研究应用至今对外秘而不宣。就连碳纤维工业最为发达的日本,也从乌克兰引进了相关技术,2011年在福岛地区建立了玄武岩纤维公司,虽然由于种种原因至今尚未开工生产,但也说明其一直未放弃对玄武岩纤维生产技术的研究。


  我国的玄武岩纤维开发在上世纪七十年代也做过一些基础研发工作,但由于种种原因,只持续几年就不了了之。直到上个世纪九十年代中后期,为了满足某引进重型战斗机发动机、仪表舱、飞行员座椅隔温防震材料的需要,国家才又专拨经费重新启动了玄武岩纤维项目研究。由于玄武岩纤维的拉伸强度相当于T300碳纤维,隔热及耐高温氧化、耐核辐射性能等则高过碳纤维,而价格仅仅是碳纤维的八分之一,因此引起了国内科研机构的广泛兴趣。经过20年左右的时间,在国内科研生产部门的不断探索下,已和俄罗斯、乌克兰一样,成为少数几个拥有完全自主知识产权生产技术的国家,并大有后来者居上的态势。截止到2018年,我国从事玄武岩纤维生产的企业约有20余家,总产能约为3万余吨,实际总产量约为1万吨,均居世界第一。山西大同,河北邯郸等地更是雄心勃勃的欲将其生产规模分别扩大至5万吨、2万吨。随着池窑生产新技术和拉丝漏板新工艺的突破,其单位生产成本还有望继续大幅下降。


  在国防工业领域,连续玄武岩纤维在我国也得到了广泛的应用。由于其具有较高的电绝缘性和较高的电磁波透过性,可用于天线整流罩、雷达及其他无线电设备等。其优异的耐高温及较低的热传导系数,已被广泛的用于导弹、飞机等产品的隔热产品。其优异的吸音和隔音性能,具有良好的声隐身性能,可用于航空发动机、气动设备废气系统的绝热隔音材料。在人防工程领域,已广泛的使用玄武岩纤维防火保温材料来解决地下工程“节能”、“防火”、”抗爆”等多个难题。我国的海岛海防工程使用的珊瑚礁钢筋混凝土结构在严酷岛礁环境下的耐久性问题突出,仅仅在高温高湿高盐的环境下使用6个月,钢筋梁底部就发生了锈蚀膨胀,严重影响了国防战备。而使用连续玄武岩纤维来代替钢筋,耐腐蚀性能极为优异,为解决岛礁结构耐久性问题提供了新的思路。



  连续玄武岩纤维通过与芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维混杂使用还大大提高了防弹材料的综合性能。我国军方科研部门研究表明,由聚氨酯泡沫、超高分子量聚乙烯纤维和玄武岩纤维组合形成的夹心式防护结构,装甲结构的防护性能能够达到纯钢装甲的3倍,同时又具备优异的抗高温性能。连续玄武岩纤维性能的提高还大有潜力可挖,由于在其制备过程中表面极易产生微裂纹,这也是影响其性能继续提高的重要因素。我国科学家最近采用了一种微胶囊自修复技术来自动修复表面的微裂纹,使得玄武岩纤维的长期力学性能得到大幅提高。

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