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[摘 要]玄武岩纤维复合材料是以天然玄武岩为原料，破碎后加入熔窑中，在1400～1500℃熔融后，通过拉伸成纤维，并以此纤维为增强体制成的新型复合材料。因玄武岩纤维是采用单组分矿物原料熔体制备而成，在耐高温性、化学稳定性、耐腐蚀性、导热性、绝缘性、抗摩擦性等许多技术指标方面优于玻璃纤维，同时因碳纤维的严重短缺，玄武岩纤维在部分技术上可替代昂贵的碳纤维材料，并且不产生与石棉相关的环境问题。玄武岩纤维原料成本低、能耗少、生产过程清洁，是一种生态环境材料，深受各国学者的关注。本文论述了玄武岩纤维的结构特点制备及国内的发展形势。
[关键词]玄武岩纤维 复合材料 进展 加固 应用技术 制备
中图分类号：TE933.207 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）28-0306-01
高性能纤维的开发与应用是近年来国际复合材料界和工程界的热点之一，随着碳纤维在土木工程领域的研究与应用的不断扩展，工程界的学者先后将玻璃纤维、芳纶纤维及其他高性能纤维引入工程领域，通过大量的试验、开发、应用，扩展了高性能纤维的应用领域，提高了高性能纤维在土木工程领域的应用水平，形成了新的产业链，促进了建设领域的技术创新。国内的复合材料界学者与工程界技术人员进行了全面的合作，大力开展新型高性能纤维材料及其配套工程材料的开发与应用研究，玄武岩纤维就是继碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维后又一种可以在土木工程或结构加固工程中应用的新型纤维。玄武岩纤维是以天然玄武岩石为原料，经过一系列工艺过程生产出的丝状产品，其生产过程和工艺与玻璃纤维的生产相似，但由于工艺的限制，目前在熔融玄武岩时使用的池炉比较浅，熔池面积也较小。由于玄武岩熔化过程中碱金属氧化物析出很少，池炉排放的烟尘中基本无有害物质，因此，整个生产过程中对环境的影响不大。
随着玄武岩纤维的生产与应用技术的不断进步，由于对玄武岩纤维性能及其特征的掌握和了解不同，工程应用领域对玄武岩纤维的应用产生了学术争论。本文根据生产、研究与分析的成果把玄武岩纤维材料的性能、产品、适用性等方面的知识作一介绍，期望能够为关注玄武岩纤维材料生产与应用的有关技术人员提供参考，引导玄武岩纤维的应用向有利于技术创新和技术发展的方向前进。
1 玄武岩纤维的概述
1.1 玄武岩纤维的化学成分和结构
玄武岩纤维是用单一的玄武岩矿石为原料制造出来的。玄武岩是由岩浆形成的基本矿石。玄武岩纤维在原料的选择上要求玄武岩熔化温度、成形温度、析晶上限温度必须在一定可操作范围内，这就需对玄武岩矿物做一定的筛选。SiO2是玄武岩连续纤维最主要的成分，占45 %～60 %，被称为网络形成物，它保持了纤维的化学稳定性和机械强度； A12O3的含量也较高，占12 %～19 %，提高了纤维的化学稳定性、热稳定性和机械强度，为提高复合材料的力学性能打下良好的基础；CaO的含量为6 %～12%，对提高纤维耐水的腐蚀、硬度和机械强度都是有利的；Fe2O3和FeO的含量在9 %～14%，高含量的铁使熔体呈古铜色，透热性只为普通浅色玻璃透热性的1/5；另外，玄武岩要求含有一定量的Na2O，K2O，MgO和TiO2等成分，对提高纤维防水性能和耐腐蚀性能起到了重要的作用[1]。其拉制优良的纤维所需的玄武岩的成分见表1。
目前，业内人士认为遍认为：内部玄武岩纤维为非晶态物质，具有近程有序、远程无序的结构特征，主要由[SiO4]四面体形成骨架结构，四面体的两个顶点互相连接成连[SiO3]n，铝原子可以取代硅氧四面体中的硅，也可以氧八面体的形式存在于硅氧四面体的空隙中。链的侧方由钙、镁、铁、钾、钠、钦等金属阳离子进行连接。处于玄武岩纤维表面的金属离子因配位数未能满足而从空气和水牛缔合质子或轻基，导致表面的轻基化。
1.2 玄武岩纤维的特性
相对于其它类型的纤维材料，玄武岩纤维有以下优越特性：
（1）优异的力学性能：玄武岩纤维的抗拉比强度是金属的2～2.5倍，是E型玻璃纤维的1.4～1.5倍，可广泛应用于增强水泥砂浆或混凝土的复合材料。
（2）高耐腐蚀性与化学稳定性：化学稳定性是指纤维抵抗水、酸、碱等介质侵蚀的能力。通常以受介质侵蚀前后的质量损失和强度损失來度量。
（3）高电绝缘性能以对电磁波的高透过性：玄武岩纤维具有比玻纤高的电绝缘性，可以将其作为耐热绝缘材料而广泛应用于电子工业的印刷线路板制造等领域，对电磁波的透过性极好，如果在建筑物的墙体中增加一层玄武岩纤维布，则能对各种电磁波产生良好的屏蔽作用。
（4）高热稳定性和高的热绝缘特性：玄武岩纤维由于导热系数低、工作范围大、抗震性能好，广泛应用于绝热保温材料。
（5）防电磁辐射的特性：玄武岩纤维镀铜后的复合材料可以用于防护电磁辐射[5]。
（6）与金属、塑料、碳纤维等材料的良好兼容性：玄武岩纤维和各类树脂复合时，比玻璃纤维、碳纤维有着更强的粘合强度。
（7）与树脂复合的增强特性：：玄武岩纤维和各类树脂复合时，比玻璃纤维、碳纤维有着更强的粘合强度。用玄武岩纤维制成的复合材料在强度方面与E玻璃纤维相当，但弹性模量在各种纤维中具有明显优势。因此，可以用它制作在高压、化学及热应力环境下长期使用的形状复杂的容器。
（8）电性能：玄武岩纤维具有良好的介电性能。它的体积电阻率比E玻璃纤维还高一个数量级，可以广泛用于电子工业制作印刷电路板（PCB）。
（9）隔音性：：玄武岩连续纤维有着优良的隔音、吸声性能。
（10）玄武岩纤维的环保特性：武岩在熔化过程中没有硼和其他碱金属氧化物排出，使其制造过程的池炉排放烟尘中无有害物质析出，不向大气排放有害气体。
2、玄武岩纤维的应用
玄武岩纤维制品是玄武岩纤维应用的一个主要方面，仅从民用的角度观察，玄武岩纤维可以通过与不同材料结合、通过不同设计方法得到品种繁多的制品。根据玻璃钢产业的统计，玄武岩纤维的制品可以按照相应的方式得到类似的制品[10]。
目前，玄武岩纤维已开始在众多的领域得到应用，但由于其生产的规模和技术水平限制，加上对玄武岩纤维性能的宣传不够完善，玄武岩纤维的应用还没有得到应有的重视和开发。
3、玄武岩纤维的制备
与一般玻璃纤维的熔制相比，玄武岩熔体的透热性差，易结品，润湿角小，因而在拉丝成型时比其他玻璃纤维更难控制。同时由于含铁的氧化物，玄武岩熔体表面硬化速度比玻璃熔体快，而内部黑色熔体传热又差，因 此必须设计特殊的池炉和电热拉丝装置，以保证产品达到预期的产量和质量，减少断头。玄武岩纤维的制备方法目前主要是过热蒸气或压缩空气垂直喷吹法、离心喷吹法和火焰喷吹法。
4、玄武岩纤维生产中存在的问题：
虽然玄武岩矿石原料价格仅为无碱玻纤原料的六分之一，但玄武岩纤维拉丝工艺中铂金用量，占总投资的40%左右。年产1000吨连续玄武岩纤维占用的铂金，相当于12000吨无碱玻纤池窑的铂金用量。
5、结语
在实验的结果上介绍了玄武岩纤维及其制品的应用领域和形式，为广大材料和工程界关心玄武岩纤维技术的技术人员提供了有益的参考。玄武岩纤维及制品虽然具有广泛的应用前景，而且正在得到最大限度的开发，但是，由于玄武岩纤维生产工艺比玻璃纤维生产工艺更复杂，技术水平还有待于提升，在世界范围内的产量还十分有限，因而关于玄武岩纤维的生产及其应用的研究还有大量的工作要做，这也促使我们进一步深入开展工作，同时也希望有更多的技术人员来关注玄武岩纤维技术。
参考文献
[1] 崔毅华，玄武岩连续纤维的基本特[J]；纺织学报， 2005，26（5）：120-121.
[2] 霍冀川，雷永林等；玄武岩纤维的制备及其复合材料的研究进展[J]；材料导报；2006；（20）：382-385.
[3] 杨小兵 连续玄武岩纤维复合材料制备技术研究[D]；江苏：江苏大学，2009，硕士毕业论文.
[关键词]玄武岩纤维 复合材料 进展 加固 应用技术 制备
中图分类号：TE933.207 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）28-0306-01
高性能纤维的开发与应用是近年来国际复合材料界和工程界的热点之一，随着碳纤维在土木工程领域的研究与应用的不断扩展，工程界的学者先后将玻璃纤维、芳纶纤维及其他高性能纤维引入工程领域，通过大量的试验、开发、应用，扩展了高性能纤维的应用领域，提高了高性能纤维在土木工程领域的应用水平，形成了新的产业链，促进了建设领域的技术创新。国内的复合材料界学者与工程界技术人员进行了全面的合作，大力开展新型高性能纤维材料及其配套工程材料的开发与应用研究，玄武岩纤维就是继碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维后又一种可以在土木工程或结构加固工程中应用的新型纤维。玄武岩纤维是以天然玄武岩石为原料，经过一系列工艺过程生产出的丝状产品，其生产过程和工艺与玻璃纤维的生产相似，但由于工艺的限制，目前在熔融玄武岩时使用的池炉比较浅，熔池面积也较小。由于玄武岩熔化过程中碱金属氧化物析出很少，池炉排放的烟尘中基本无有害物质，因此，整个生产过程中对环境的影响不大。
随着玄武岩纤维的生产与应用技术的不断进步，由于对玄武岩纤维性能及其特征的掌握和了解不同，工程应用领域对玄武岩纤维的应用产生了学术争论。本文根据生产、研究与分析的成果把玄武岩纤维材料的性能、产品、适用性等方面的知识作一介绍，期望能够为关注玄武岩纤维材料生产与应用的有关技术人员提供参考，引导玄武岩纤维的应用向有利于技术创新和技术发展的方向前进。
1 玄武岩纤维的概述
1.1 玄武岩纤维的化学成分和结构
玄武岩纤维是用单一的玄武岩矿石为原料制造出来的。玄武岩是由岩浆形成的基本矿石。玄武岩纤维在原料的选择上要求玄武岩熔化温度、成形温度、析晶上限温度必须在一定可操作范围内，这就需对玄武岩矿物做一定的筛选。SiO2是玄武岩连续纤维最主要的成分，占45 %～60 %，被称为网络形成物，它保持了纤维的化学稳定性和机械强度； A12O3的含量也较高，占12 %～19 %，提高了纤维的化学稳定性、热稳定性和机械强度，为提高复合材料的力学性能打下良好的基础；CaO的含量为6 %～12%，对提高纤维耐水的腐蚀、硬度和机械强度都是有利的；Fe2O3和FeO的含量在9 %～14%，高含量的铁使熔体呈古铜色，透热性只为普通浅色玻璃透热性的1/5；另外，玄武岩要求含有一定量的Na2O，K2O，MgO和TiO2等成分，对提高纤维防水性能和耐腐蚀性能起到了重要的作用[1]。其拉制优良的纤维所需的玄武岩的成分见表1。
目前，业内人士认为遍认为：内部玄武岩纤维为非晶态物质，具有近程有序、远程无序的结构特征，主要由[SiO4]四面体形成骨架结构，四面体的两个顶点互相连接成连[SiO3]n，铝原子可以取代硅氧四面体中的硅，也可以氧八面体的形式存在于硅氧四面体的空隙中。链的侧方由钙、镁、铁、钾、钠、钦等金属阳离子进行连接。处于玄武岩纤维表面的金属离子因配位数未能满足而从空气和水牛缔合质子或轻基，导致表面的轻基化。
1.2 玄武岩纤维的特性
相对于其它类型的纤维材料，玄武岩纤维有以下优越特性：
（1）优异的力学性能：玄武岩纤维的抗拉比强度是金属的2～2.5倍，是E型玻璃纤维的1.4～1.5倍，可广泛应用于增强水泥砂浆或混凝土的复合材料。
（2）高耐腐蚀性与化学稳定性：化学稳定性是指纤维抵抗水、酸、碱等介质侵蚀的能力。通常以受介质侵蚀前后的质量损失和强度损失來度量。
（3）高电绝缘性能以对电磁波的高透过性：玄武岩纤维具有比玻纤高的电绝缘性，可以将其作为耐热绝缘材料而广泛应用于电子工业的印刷线路板制造等领域，对电磁波的透过性极好，如果在建筑物的墙体中增加一层玄武岩纤维布，则能对各种电磁波产生良好的屏蔽作用。
（4）高热稳定性和高的热绝缘特性：玄武岩纤维由于导热系数低、工作范围大、抗震性能好，广泛应用于绝热保温材料。
（5）防电磁辐射的特性：玄武岩纤维镀铜后的复合材料可以用于防护电磁辐射[5]。
（6）与金属、塑料、碳纤维等材料的良好兼容性：玄武岩纤维和各类树脂复合时，比玻璃纤维、碳纤维有着更强的粘合强度。
（7）与树脂复合的增强特性：：玄武岩纤维和各类树脂复合时，比玻璃纤维、碳纤维有着更强的粘合强度。用玄武岩纤维制成的复合材料在强度方面与E玻璃纤维相当，但弹性模量在各种纤维中具有明显优势。因此，可以用它制作在高压、化学及热应力环境下长期使用的形状复杂的容器。
（8）电性能：玄武岩纤维具有良好的介电性能。它的体积电阻率比E玻璃纤维还高一个数量级，可以广泛用于电子工业制作印刷电路板（PCB）。
（9）隔音性：：玄武岩连续纤维有着优良的隔音、吸声性能。
（10）玄武岩纤维的环保特性：武岩在熔化过程中没有硼和其他碱金属氧化物排出，使其制造过程的池炉排放烟尘中无有害物质析出，不向大气排放有害气体。
2、玄武岩纤维的应用
玄武岩纤维制品是玄武岩纤维应用的一个主要方面，仅从民用的角度观察，玄武岩纤维可以通过与不同材料结合、通过不同设计方法得到品种繁多的制品。根据玻璃钢产业的统计，玄武岩纤维的制品可以按照相应的方式得到类似的制品[10]。
目前，玄武岩纤维已开始在众多的领域得到应用，但由于其生产的规模和技术水平限制，加上对玄武岩纤维性能的宣传不够完善，玄武岩纤维的应用还没有得到应有的重视和开发。
3、玄武岩纤维的制备
与一般玻璃纤维的熔制相比，玄武岩熔体的透热性差，易结品，润湿角小，因而在拉丝成型时比其他玻璃纤维更难控制。同时由于含铁的氧化物，玄武岩熔体表面硬化速度比玻璃熔体快，而内部黑色熔体传热又差，因 此必须设计特殊的池炉和电热拉丝装置，以保证产品达到预期的产量和质量，减少断头。玄武岩纤维的制备方法目前主要是过热蒸气或压缩空气垂直喷吹法、离心喷吹法和火焰喷吹法。
4、玄武岩纤维生产中存在的问题：
虽然玄武岩矿石原料价格仅为无碱玻纤原料的六分之一，但玄武岩纤维拉丝工艺中铂金用量，占总投资的40%左右。年产1000吨连续玄武岩纤维占用的铂金，相当于12000吨无碱玻纤池窑的铂金用量。
5、结语
在实验的结果上介绍了玄武岩纤维及其制品的应用领域和形式，为广大材料和工程界关心玄武岩纤维技术的技术人员提供了有益的参考。玄武岩纤维及制品虽然具有广泛的应用前景，而且正在得到最大限度的开发，但是，由于玄武岩纤维生产工艺比玻璃纤维生产工艺更复杂，技术水平还有待于提升，在世界范围内的产量还十分有限，因而关于玄武岩纤维的生产及其应用的研究还有大量的工作要做，这也促使我们进一步深入开展工作，同时也希望有更多的技术人员来关注玄武岩纤维技术。
参考文献
[1] 崔毅华，玄武岩连续纤维的基本特[J]；纺织学报， 2005，26（5）：120-121.
[2] 霍冀川，雷永林等；玄武岩纤维的制备及其复合材料的研究进展[J]；材料导报；2006；（20）：382-385.
[3] 杨小兵 连续玄武岩纤维复合材料制备技术研究[D]；江苏：江苏大学，2009，硕士毕业论文.