连续玄武岩纤维(CBF)在军工及民用领域的应用讲解

1连续玄武岩纤维（CBF）在军工及民用领域的应用各位朋友、各位同仁：连续玄武岩纤维是前苏联经过了三十多年的研究开发而发明的高技术纤维。由于它性能优异、性价比好，应用领域广泛，极具发展前景，尤其是最近几年，我们中国也有了连续玄武岩纤维的批量生产。因此，我们现在开展对连续玄武岩纤维的研讨活动是非常有现实意义的。前几年，我担任了国家863计划“玄武岩连续纤维及其复合材料”课题组的组长。因此，有机会比大家早几年接触和研究开发了连续玄武岩纤维，借此高层论坛将我们有关研发的成果和信息，尤其是连续玄武岩纤维在军工及民用领域的应用情况，与大家共同分享。今天我与大家共同讨论四个问题：一、什么是连续玄武岩纤维？二、连续玄武岩纤维都有哪些方面的优异性能？三、连续玄武岩纤维在军工及民用领域有哪些主要应用？四、应该如何看待连续玄武岩纤维在我国的发展？一、什么是连续玄武岩纤维？连续玄武岩纤维（ContinuousBasaltFibre简称CBF）是以天然的火山喷出岩作为原料，将其破碎后加入熔窑中，在1450～1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板制成的连续纤维。它与碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）等其它高科技纤维相比，具有很多独特的优点，如力学性能佳，耐高温性能好，可在－269～700℃范围内连续工作，耐酸耐碱，抗紫外线性能强，吸湿性低，有更好的耐环境性能，此外，还有绝缘性能好，高温过滤性佳、抗辐射、良好的透波性能等优点。以连续玄武岩纤维为增强体可制成各种性能优异的复合材料，可广泛应用于消防、环保、航空航天、军工、汽车船舶制造、工程塑料、建筑等领军工、民用领域，故连续玄武岩纤维被誉为21世纪的新材料。因此，连续玄武岩纤维是“石头变丝”的非金属无机纤维，其原料就是火山喷出岩（包括玄武岩、安山岩等矿物）。近几年来，连续玄武岩纤维良好的综合性能和性价比越来越被材料界和用户看好。这里有必要简单介绍一下连续玄武岩纤维的研发背景。20世纪60年代，前苏联国防部下令开发玄武岩纤维。1973年前苏联新闻机构报道，采用天然矿物制造的玄武岩纤维得到广泛的应用，这主要是指超细玄武岩棉的生产。60～70年代,全苏玻璃钢与玻璃纤维科研院乌克兰分院根据苏联国防部的指令，着手研制玄武岩纤维。乌克兰建筑材料工业部设立了专门的别列切绝热隔音材料科研生产联合体，主要任务是研制玄武岩纤维及其制品制备工艺的生产线。联合体的科研实验室于1972年开始研制制备玄武岩纤维，曾经研制出20多种玄武岩纤维制品的生产工艺；1985年连续玄武岩纤维研制成功并实现了工业化生产。由此算起，连续玄武岩纤维在全世界的开发成功和批量生产的历史大概有20年左右。在此期间，我国的国家建筑科学研究院和南京玻璃纤维研究设计院也先后断断续续地开展了连续玄武岩纤维的研发，但是都没有开发成功。真正具备乌克兰、俄罗斯“一段法”采用纯天然火山岩、不加任何辅料的连续玄武岩纤维生产应该是我国列入国家863计划以后，由深圳俄金碳材料科技有限公司承担了该863计划课题，之后其技术成果作价入股成立的“横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司”将其成果转化，实现了批量生产。因此，我们现在来讨论连续玄武岩纤维的推广2应用应该是有现实条件和基础的。近几年来，我国科技部也对连续玄武岩纤维的研究给予了极大的关注和重视。2001年7月我国原驻俄罗斯大使馆公使衔科技参赞黄寿增曾向国内发回了《21世纪新材料---玄武岩纤维》的专题报告；在2002年9月和2004年5月、11月国家科技部分别将“玄武岩连续纤维及其复合材料”项目列入国家863计划和国家级火炬计划、国家科技型中小企业创新基金。二、连续玄武岩纤维有哪些方面的优异性能？了解和知晓了其优异性能后，便可以明确应用推广连续玄武岩纤维的领域和重点。众所周知，在高技术纤维和其它纤维中没有任何一种纤维是可以“包打天下”的。“存在就是合理的”。也就是说，每一种纤维都有它独特的性能和应用的市场。那么，连续玄武岩纤维都有特点呢？概括起来讲，连续玄武岩纤维是21世纪无污染的“绿色工业材料”。它具有综合性能好、性价比好的产品特点。这是其它纤维所难以比拟的。2.1突出的耐温性能。玄武岩纤维的使用温度范围为：-269～700℃（最高为960℃），而玻璃纤维为-60～450℃。它的软化点为960℃。在400℃温度下工作时，其断裂强度能够保持85%；在600℃温度下工作时，其断裂强度仍能够保持80%的原始强度；如果玄武岩纤维预先在780～820℃温度下进行处理，纤维还能在860℃温度下工作而不会出现收缩。而即使优良的矿棉此时也只能保持50%～60%的强度，玻璃棉则完全破环。碳纤维的抗氧化性较差，在300℃有CO和CO2产生；间位芳纶最高使用温度也只有250℃。2.2突出的拉伸强度。玄武岩纤维的拉伸强度为3800～4800MPa，比大丝束碳纤维、芳纶、PBI纤维、钢纤维、硼纤维、氧化铝纤维要高，与S玻璃纤维相当。2.3天然的硅酸盐相容性。以同属硅酸盐的火山喷出岩为原料制成的玄武岩纤维，耐酸碱性强。试验发现，连续玄武岩纤维在饱和Ca(OH)2溶液以及在水泥等碱性介质中耐久性好，能保持高度的稳定性，可代替钢筋用作混凝土建筑结构的增强材料，制作桥梁等大型建筑的结构件。利用玄武岩纤维较高的拉伸强度和剪切强度这一特性，加上玄武岩纤维具有天性的与水泥、混凝土的亲和力和耐碱性，在建筑增强领域的应用已显示出它独特的优势和发展潜力。2.4突出的化学稳定性。玄武岩纤维含有的K2O、MgO和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。连续玄武岩纤维与E玻璃纤维在3个小时沸煮后（纤维损失重量（％）的对比情况）：在水中玄武岩连续纤维损失重量0.2%,而E玻璃纤维则损失重量0.7％；2NNaOH的溶液里两者分别为2.75%和6.0%；在2NHCl中玄武岩连续纤维仅损失重量2.2％，而E玻璃纤维则损失重量38.9％。玄武岩纤维的耐酸性超过了一般用作耐酸玻璃钢增强材料的ECR玻璃纤维。2.5显著的热振稳定性。玄武岩纤维在500℃温度下的热振稳定性仍然不变，原始重量损失不到2%；900℃时也仅损失3%。2.6良好的介电性能。连续玄武岩纤维还具有良好的介电性能。它的体积电阻率比E玻璃纤维高一个数量级；玄武岩含有不到20%的导电氧化物。导电氧化物纤维过去并没有用于制备绝缘材料，但经过用专门浸润剂处理玄武岩纤维，其介电损失角正切比玻璃纤维低50%,可用于制造新型耐热介电材料。2.7优良的透波性能和一定的吸波性能。我们曾用CBF增强树脂基180х3180mm标准板，厚度为4mm，树脂体系采用HD03，在8～18GHz下进行了测试，结果发现了这一独特的性能。该材料未加任何其它吸波隐身材料，为什么会具有一定的吸波性能呢？据分析玄武岩纤维中具有20%的的金属氧化物，可能是氧化铁、氧化钛成分，使其具有了一定的吸波性能。如果进一步调整成分、树脂体系内再加上吸收剂或吸波涂层，可能会有更好的吸波性能。三、连续玄武岩纤维在军工及民用领域有哪些主要应用？我们可将CBF的应用初步锁定在建筑增强领域、防火消防领域、过滤环保领域、绝缘电子领域、石油化工领域、体育用品领域、汽车船舶等领域。美国德州的玄武岩纤维工业联盟指出：“玄武岩纤维是碳纤维的低价替代品，具有一系列优异性能，尤为重要的是，由于它取自天然矿石而无任何添加剂，是目前为止唯一的无环境污染的不致癌的绿色健康玻璃质纤维产品。美国作为世界保护环境的倡导者，将全力发展无污染的绿色工业材料，所以玄武岩纤维在复合材料的增强材料领域的应用已引起广泛的重视并将快速发展。”高技术纤维是国防军工建设和支撑高科技产业发展的重要基础材料，它直接关系到国防科技工业的建设和国民经济支柱产业的升级。连续玄武岩纤维(ContinuousBasaltFibre简称CBF)就是继碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维之后的第四大高技术纤维。它是21世纪在国防军工领域有着非常重要应用的一种高技术纤维，是体现国防科技战略布局的一种新材料。以连续玄武岩纤维为增强体可制成各种性能优异的复合材料，在航空航天、火箭、导弹、战斗机、核潜艇等军舰、坦克等武器装备的国防军工领域有广泛的应用。它可以促进军队武器装备的升级换代，增强军队的战斗力；可在某些领域替代碳纤维，节约相关武器装备的制造成本；可形成新的军民两用技术，寓军于民，有力地推动我国未来这一重大高科技产业的形成。因此，开展CBF在国防军工领域的应用研究有着十分重要的战略意义和现实意义。玄武岩纤维就是由前苏联国防部下令开发的。从60年代开始，经过近三十多年的努力，在苏联解体前终于成功开发了连续玄武岩纤维。玄武岩纤维首先被应用于国防军工。其中一个著名的事实是：1975年7月17日与苏联“联盟-19”号宇宙飞船第一次完成对接的美国“阿波罗”号宇宙飞船的结构材料上就应用了苏联生产的玄武岩纤维。苏联的解体，客观上影响了CBF的推广应用，但是，由于玄武岩纤维具有有别于碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维的一系列优异性能，而且性价比好，近几年来引起了美国、欧盟等国防军工领域的高度重视。2003年美国军方甚至收购了其国内一个创办不久的CBF生产工厂，现在这个工厂就设立在美国南部阿拉巴马的军事基地，产品100%用于国防军工，其连续玄武岩纤维的具体应用至今对外秘而不宣！显然，这些年来，美国军方在CBF的应用研究中又发现了许多新的价值。3.1利用CBF的耐高温特性，可以在消防、环保及军工领域发挥重要的作用。玄武岩纤维用于防火服正处于起步阶段，由于其起本身的特殊性能，用于防火服领域有较大的优势。玄武岩纤维是无机纤维，具有不燃性、耐温性（-269～650℃）、无有毒气体排出、绝热性好、无熔融或滴落、强度高、无热收缩现象等优点。缺点是比重较芳纶纤维大，穿着的舒适感不如芳纶纤维防火服。如果玄武岩纤维与其它纤维混纺可制成阻燃面料，用于部队的相关装备显然是有明显优势的。超高分子量聚乙烯纤维被用作柔性防弹材料的首选原材料，但是用它制成4无纬布作柔性防弹材料时发现外表面几层明显有弹头击穿的熔灼现象，因为超高分子量聚乙烯纤维的主要缺点是耐热性能低，熔点在144℃～152℃，强度和模量随温度升高而下降，抗蠕变性能也较差，达到70℃时性能急剧下降。于是许多防弹材料专家把关注的目光转向有耐高温特性的的连续玄武岩纤维，目前正在开展相关的比较检测和应用研究。可以预见，连续玄武岩纤维用作坦克、装甲车、防暴车、防爆毯、炮弹箱、军事工事的坑道门等等有着较高的应用价值和广阔的发展前景。从以上性能比较可以看出，玄武岩纤维的高温使用性能虽然低于氧化铝纤维、碳化硅纤维，但是高于所有的有机纤维，而且其超低温使用性能是最好的。再从性价比看，玄武岩纤维的价格是所有高性能纤维中最低的。国外一直将杜邦的Kavlar、Nomex、Teflon作为防火面料的首选，虽然具有抗高温、抗化学反应的性能，但是在370℃以上的高温下被碳化和分解。玄武岩纤维用于防火服正处于起步阶段，由于其起本身的特殊性能，用于防火服领域有较大的优势。玄武岩纤维是无机纤维，具有不燃性、耐温性（-269～700℃）、无有毒气体排出、绝热性好、无熔融或滴落、强度高、无热收缩现象等优点。缺点是重量较芳纶纤维大，穿着的舒适感不如芳纶纤维防火服。显而易见，玄武岩纤维而直径较细（例如7微米左右）的连续玄武岩纤维，其良好的性价比和优异的抗高温性能，有可能成为替代杜邦Kavlar、Nomex、Teflon等防火面料的有力竞争产品，也是其它高性能纤维低成本、高性价比的替代品。目前过滤材料主要有天然纤维、各种合成纤维、各种无机纤维和金属纤维。由于对耐高温提出了更高的要求，又引进了Nomex、Procon、Torcon、Basfil、P84等。但是，目前所有的过滤材料都不能解决过滤高温介质的问题，而玄武岩纤维纤维可以在-269~650℃的范围内长期使用，它的耐高温性能是其它材料所无法比拟的。加拿大亚伯力（Albarrie）公司是一家有30多年历史的环保工业用集尘滤料的专业公司。他们将CBF用作过滤针刺毡的支基布已经有10多年