连续玄武岩纤维在军工及民用领域的应用

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。CBF 就是继碳纤维、芳纶、超高相对分子质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 CBF 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。
CBF 就是由前苏联国防部下令开发的。从 1960 年代开始，经过近 30 多 a 的努力，在前苏联解体前终于成功开发了 CBF。并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，就应用了前苏联生产的 CBF。前苏联的解体，客观上影响了 CBF 的推广应用，但是，由于 CBF 具有有别于碳纤维、芳纶、超高相对分子质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州的军事基地，产品 100 % 用于国防军工，其 CBF 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。
2.1 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
CBF 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。CBF 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。缺点是密度较芳纶大，穿着的舒适感不如芳纶防火服。如果 CBF 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。
超高相对分子质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，因为超高相对分子质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CBF，目前正在开展相关的比较检测和应用研究。可以预见，CBF 用作坦克、装甲车、防爆车、防爆毯、炮弹箱、军事工事的坑道门等，有着较高的应用价值和广阔的发展前景。
CBF 的高温使用性能虽然低于氧化铝纤维和碳化硅纤维，但是高于所有的有机纤维，而且其超低温使用性能是比较好的。再从性价比看，CBF 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，虽然具有抗高温和抗化学反应的性能，但是都会在 370 ℃ 以上的高温下被碳化和分解。虽然 CBF 用于防火服正处于起步阶段，但如上所述由于其本身的特殊性能，用于防火服领域有较大的优势。显而易见，纤维直径较细（如 7μm 左右）的 CBF，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。
CBF 是可填补我国空白的优良的高温过滤材料，其性能可与耐高温的陶瓷纤维相媲美，具有结构强度高、耐高温（使用温度可超过 500 ℃ 以上）、耐久性好、耐腐蚀（及耐酸又耐碱）、不吸水、过滤效率高等特点。它可主要用于高温（200～350 ℃）和超高温（500 ℃以上）的过滤材料。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。由于应用市场对材料的耐高温性能提出了更高的要求，目前使用的芳纶（如 Nomex、Conex）、法国的 Kermel 纤维、聚苯硫醚纤维（PPS）、奥地利的聚酰亚胺 P84 纤维、聚四氟乙烯纤维（PTFE）等过滤材料，都不能解决过滤高温介质的问题，而 CBF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 a 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 a 的历史了。目前该公司非常看好我国过滤环保领域的市场，欲占到一定的市场份额。这一长期的成功的应用案例和市场动态应该非常值得我国过滤环保领域的关注！
因此，利用 CBF 的耐温特性，是用于高温过滤材料（如除尘袋、汽车消音器滤芯）、避火消防服阻燃隔热面料、防火卷帘、过冷防护服、防弹服、热防护服、军用帐篷、坦克发动机绝热隔音罩、核潜艇等军舰内装饰、火箭燃烧喉管等军工武器装备领域优选的新材料。美国、加拿大、日本、韩国和欧洲许多国家的业内人士十分看好 CBF 优异的耐温性能，许多应用领域正在不断拓宽。
CBF 非织造材料在汽车内饰中的应用潜力巨大。汽车工业是纤维材料的一个巨大潜力的市场。现在在汽车中应用的基于非织造材料的零件已经超过 40 种，从空气、油过滤介质到内饰材料等，其中包括声、热绝缘材料，结构件以及装饰件。一辆轿车大约需要 20 m 的非织造材料（折合质量 15～20 kg）。虽然现在汽车非织造材料主要使用聚酯纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维和天然纤维等，但是，CBF 的绝热、隔音，尤其是其优良的过滤性能和阻燃性能是其它纤维所不能比拟的。
2.2 CBF 将带来建筑材料业的一场革命
1974 年，中国建材研究院开展了玻璃纤维用于增强硅酸盐水泥（GRC）的研究，提出了“双保险”的技术路线（即抗碱玻璃纤维增强低碱度硫酸盐水泥）。在此后的几十年中虽然取得了很多成果，但是仍没有真正解决其耐久性问题，一直存在着一些令人极为忧虑的问题：① 降低抗碱玻璃纤维中 ZrO 的质量分数；② 低碱度硫铝酸盐水泥质量不稳定；③ 用一般中碱玻璃纤维替代抗碱玻璃纤维；④ 用普通的硅酸盐水泥替代低碱度硫铝酸盐水泥。另一方面的问题是有些企业 GRC 制品生产机械化水平低，基本上都是手工作业的，加上不严格按技术规程操作，造成出厂产品质量低下等。显然，我国的 GRC 产业并没有真正走出一条宽广、健康的发展道路。随着我国CBF 批量生产的开始，CBF 增强硅酸盐水泥的技术方案再次被业界重视，尤其是我国一些原来用聚丙烯纤维增强水泥混凝土的化学建材企业，积极采用 CBF 增强硅酸盐水泥及其混凝土；另一些建筑加固企业采用 CBF 片材替代碳纤维用于建筑桥梁的加固、补强和修复，也取得了较好的效果。用硅酸盐类天然火山喷出岩为原料生产的CBF，预示着建筑材料业的一场革命正在来临！它的应用主要表现在以下几个方面：
⑴ 在混凝土增强领域的应用。现在的混凝土增强材料主要有碳纤维、玻璃纤维、对位芳纶、钢纤维和 CBF。增强的主要目的是提高制品的抗拉强度和建筑工程的防渗抗裂等。从强度方面看CBF 占有绝对的优势，它的抗拉强度都高于以上的增强材料，增强效果最好。从耐碱性方面看，CBF 略逊于碳纤维和对位芳纶，但好于玻璃纤维和钢纤维。从与混凝土的相容性上看，CBF 与混凝土有着基本相同的成分，密度也较接近，所以CBF 的相容性和分散性好于其它增强纤维。例如用 CBF 增强铁路水泥枕木可解决其耐久性，尤其适合在青藏高原等气候多变地区的使用。
⑵ 在建筑修复、加固和更新领域的应用。碳纤维加固补强织物是一种高科技含量和高成本的产品。目前使用的补强材料是碳纤维和芳纶，主要是利用材料的强度和弹性模量。从强度方面，CBF 的强度并不逊于碳纤维，且比芳纶高，虽然弹性模量不如碳纤维，但是与树脂的亲合性上，CBF 大大好于碳纤维和芳纶，有效的提高了补强效果和补强材料的使用寿命。尤其是 CBF 用于桥梁和立柱缠绕加固，其效果与碳纤维没有差异。这一重大发现是东南大学土木工程学院通过 CBF与碳纤维在同等条件下的对比实验后得到的。从性价比看，CBF 的价格大大低于碳纤维和芳纶，所以 CBF 有极大的竞争优势，是碳纤维和芳纶加固抗震补强材料的首选替代产品。它可广泛用于梁、柱、板、墙等结构的补强，也可用于桥梁、隧道、水坝等其它土木工程的加固，尤其是抗震加固。CBF 与粘钢和碳纤维加固具有如下不同的特点：不导电；性价比好；抗剪切强度高；延性好、抗震能力强；与混凝土热膨胀系数一致；抗老化、耐高温、抗冻融；与混凝土和树脂的结合力强；耐酸碱，对各种环境的适应性强；受力后变形协调，而碳纤维加固后的破坏常态是脆性的。以建筑加固补强为例，碳纤维和芳纶是目前世界上所采用的主要的加固补强用的新型材料。初步的研究结果表明：与碳纤维和芳纶相比，CBF 在保持较高的抗拉、抗剪和抗冲击强度以及抗热振稳定性优异的基础上，具有更好的性价比。因此，在桥梁、隧道、房屋等结构抗震加固补强方面具有极为广阔的应用前景。
此外，初步的应用研究证明，CBFRP（连续玄武岩纤维复合材料）的筋又是一种替代碳纤维、芳纶等连续纤维复合材料筋的新型建筑材料，可主要用于代替钢筋，用于环境条件严酷的混凝土中，根本解决钢筋锈蚀问题，提高混凝土结构的耐久性。
⑶ 在道路施工领域的应用。采用土工格栅对路面进行加盘处理，已经成为道路建设的一个研究方向。土工格栅的主要作用是抗疲劳开裂、耐高温车辙、抗低温缩裂、延缓反射裂缝等。所以在高等级公路、大桥桥面、市政道路及机场路面等要求较高的道路工程广泛应用。目前，土工格栅材料主要是玻璃纤维和塑料两大类。CBF 及其土工材料的各方面性能均好于以上两种材料，主要优点是：抗拉强度高、延伸率好；无长期蠕变；热稳定性好；与沥青混合料的相容性强；理化稳定性好；耐低温性好等。
2.3 CBF 增强树脂基复合材料有广泛的应用
CBF 具有良好的技术特性：低容重，低热导率，低吸湿率和对腐蚀介质的化学稳定性，能够降低结构质量，形成新型结构材料。利用这些特性，在军品和民品领域有广泛的应用。① CBF 增强树脂基复合材料是制造坦克装甲车辆的车身材料，可减轻其质量；用于制造火炮材料，尤其是用于炮管热护套材料可以大大提高火炮的命中率和射击精度。在枪弹、引信、弹匣、大口径机枪枪架、坦克装甲车辆的薄板装甲、汽车发动机罩、减振装置等方面有大量的应用。② CBF 在船舶工业中可大量用于船壳体、机舱绝热隔音和上层建筑。③ 用 CBF 蜂窝板可制成火车车厢板，既减轻了车厢的质量，又是一种良好的阻燃材料。据悉美国通过福特、通用等汽车制造公司正在着手起草制订采用 CBF 替代碳纤维作增强材料的工业标准。德国在 CBF 这方面的应用研究也已经着手开展了两年多。我国的汽车工业应该关注这一新材料应用的发展动向。④ 用 CBF 缠绕环氧树脂的管材（直径 φ 5～2 000 mm，内部承压 0～40 MPa）可用于输送石油、天然气、冷热水、化学腐蚀液体、散料、电缆管道、低压和高压钢瓶等。以石油管道为例，CBF 管道施工投产后即可使用，无需投资维修以及采用昂贵的电化学处理，使用期限是 80 a。显然，它可引发管道业的一场革命！⑤ 由于碳纤维的严重短缺，受冲击或者说影响最大的是一大批休闲体育用品的制造商，因此，CBF 在休闲体育用品中的应用也凸现出来了。首先，CBF 天然的金褐色可用于休闲体育用品的表面装饰；其次，它与碳纤维混杂使用可降低其成本，以解碳纤维价格奇高和短缺带来的困惑；再是可利用 CBF 开发休闲体育用品的新产品。
2.4 CBF 可用作热振环境下的特殊材料
例如采用 CBF/648 环氧树脂用于复合材料结构的军用飞机进气道外侧壁，其下部是火炮出口，振动冲击力很大，要求复合材料有很好的韧性，使用纯碳纤维有它的不足，由于 CBF 的断后伸长率大大高于碳纤维，且可充分利用 CBF 的抗热振稳定性。在民品的机电工业，CBF 聚合物基复合材料是优良的绝缘材料，用它制造仪器仪表、电动机及各种电器中的附件（如齿轮、轴承、密封件等），不仅可以减轻自身质量和提高其可靠性，而且可以延长其使用寿命。此外，CBF 具有显著的耐高温性能和极好的力学性能，它可以用作石棉与昂贵碳纤维的替代品，适用于高温衬垫、大型船只绝热、车辆制动器摩擦衬片。
2.5 CBF 是良好的介电材料
CBF 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；如前所述，玄武岩中质量分数不到 0.2 的导电氧化物，利用 CBF的这一介电特性、吸湿率低和耐温的特性，可以制成高质量的多层印刷电路板的覆箔板。因为无线电通讯传输技术和大型电子计算机信息处理技术的高速化，不但要求在高频带工作的基板要有较小的介电常数与介质损耗因数，而且要求高频带的介电性能对温度的变化率和频率的变化率要很小，基板的玻璃化温度、耐热性（希望先进的线路板耐热高达 270 ℃ 左右）、可靠性、厚度的均匀性要高，热膨胀系数、吸水率要低，以满足当代印刷电路板对覆箔板在特性阻抗高精度控制性、高频特性、高可靠性、高稳定性和绿色环保特性等性能的要求。最近几年日本在高性能印刷线路板制造方面要求耐更高的温度，更轻更薄，因而大量应用芳纶材料。通过非织造布工艺或造纸的方法研制的印刷电路基板可应用于 IT 产业的各种设备。此外，目前一些高质量的抗热绝缘纸将对位芳纶做成浆粕和长 5 mm 的对位芳纶混合打成纸浆，用普通造纸方法造纸，可得到强度高和耐高温的工业用纸，用在电气绝缘纸材料上是高级的 H 级绝缘纸。它可以制成不同密度及厚度的纸或纸板，最薄可到 0.05 mm；可在 220 ℃ 的环境下连续工作 10 a 而不变，甚至短时间内暴露于 300 ℃ 下，不会收缩、脆化或融化。而 CBF 的耐高温性和电绝缘性都非常好，其抗热绝缘纸可以提供电气绝缘更严密的保护。
此外，CBF 还具有防辐射功能。在核电站建设和军工、民用等防辐射领域有很大应用。
总之，随着生产 CBF 技术瓶颈的不断打开和规模化生产所带来的单位成本降低，它的应用领域将不断扩大，势必形成一个新兴的高新技术产业群，将改变世界先进材料的格局！
3 CBF 在我国的发展
CBF 将成为与碳纤维、芳纶、超高相对分子质量聚乙烯纤维并驾齐驱的又一极具竞争力的高科技纤维。继前苏联之后，近几年来，国际上如美国、日本、德国等一些科技发达国家都加强了对 CBF 这一新型无机高科技纤维的研究开发，并取得了一系列新的应用研究成果。研究结果表明：CBF已经成为一种将改变世界先进新材料格局的高技术纤维。我国有关决策部门拟从新材料的战略发展高度引起充分的关注和重视，以推动我国 CBF及其产业的快速发展，真正成为全球“后来者居上”的 CBF 制造大国。
值得注意的是，在全世界碳纤维严重短缺的背景下，一方面，美国利用其军事联盟国（包括日本在内）借机对我国进行更加严密的封锁；另一方面，近几年来，美国、加拿大、德国、英国、日本、韩国等国也纷纷加大国防科研的投入，开展了 CBF 在国防军工领域的应用研究，并展开了激烈的专利保护战。显然 CBF 将改变世界先进材料的格局，由于性价比好，已经展现出广阔的国防军工的应用前景。
我国在碳纤维发展历史上的沉痛教训不能忘记。几十年来我国碳纤维发展一直处于落后被动状态，而日本在高科技纤维研发方面的瞻前性发展战略和发展经验值得我国借鉴。日本早在 20 世纪 80 年代初就把投资重点由传统化纤转向高技术和高科技纤维。经过 20 多 a 的发展，日本的高技术和高科技纤维产业已经在总体上居世界领先地位，特别是高功能纤维和高强高模纤维。日本的 PAN 基碳纤维总产能已经占世界总产能的 3/4，产量占 70 %；聚芳酯纤维、PBO 纤维、酚醛纤维、聚乳酸纤维等，最早都起源于美国，但是最终产业化都在日本；超强 PVA 纤维也是日本独有的。日本几乎垄断了世界高科技纤维的生产。目前，全世界碳纤维严重短缺。从 2004 年下半年开始，美国和日本这两个生产碳纤维的大国，全面对中国实施碳纤维的封锁。此前，据有关方面的不完全统计，2004 年我国军方和地方对碳纤维的实际用量为 4 000 多 t，可想而知，这种高科技纤维的封锁是一种何等严峻的局面！因此，在碳纤维严重短缺的背景下，研究讨论 CBF 在我国的发展和推广应用有着十分重要的现实意义。
基于 CBF 的研发历史、我国高科技纤维的结构及发展现状，提出 CBF “发源在苏联、发展在中国”的预测是科学和理智的。
⑴ 从国家层面上看，我国对 CBF 的发展具有强大的国家影响力。该项目在 2001 年6 月被列为中俄两国政府间科技合作项目；2002年 8 月列为国家 863 计划；2002 年 5 月列入深圳市科技计划；2004 年 5 月列入国家级火炬计划；2004 年 11 月列入国家科技型中小企业创新基金。并将有可能列入国家“十一•五”科技计划和国家发改委的中长期发展规划。对一个项目先后有那么多的国家和地方科技计划的支持，这在其他国家很少见的。国家科技部等有关部委的领导还亲自对此项目的发展和成果应用作出了批示。这充分反映了我国对发展 CBF 的高度重视和支持！我们坚信，国家在“十一•五”还会出台相关的政策和措施来大力支持这一新材料的发展。
⑵ 从行业发展基础看，近几十年来我国的玻璃纤维和复合材料得到了快速发展，有着发展和推广应用 CBF 的坚实基础。2005 年 1月世界《高性能复合材料》（HIGH-PERFORMANCE Composites）杂志在“市场趋势”栏目，发表了多年来一直关注着纤维的供给与需求的业内咨询专家 Ben Rasmussen 先生“高性能复合材料工业领域需要什么”的文章：“依据我多年的研究，我相信对纤维需求的预测是大大偏低了，我们可能面临着严重的纤维短缺。问题是纤维生产滞后。工业的需求是评估市场潜力的好途径。毫无疑问我们正处于世界经济增长之时，其带动了复合材料产业的强劲增长”。他进而指出：“现在世界最大的潜在复合材料制造商和终端用户是中国。中国的公司已拥有 25 % 的全球玻璃纤维市场并正在开始发展碳纤维。5 a 后将会给该市场带来全面的冲击”。
⑶ 从发展的基本条件看，我国地域辽阔，玄武岩矿床储量极其丰富。我国火山和火山岩分布广泛，按照地理位置，可划分为两大区域：一是沿我国东部大陆边缘，形成数以百计的火山群和火山锥，成为环太平洋火山链的一部分；另一是位于青藏高原及周边地区的火山群。
⑷ 从本国的市场看，中国本身就具有新材料应用的庞大市场。
⑸ 从我国企业参与投资新材料的情形看，企业有着进行技术创新及发展的强烈欲望及实力。
⑹ 从新材料的制造成本看，中国具有低成本制造 CBF 得天独厚的条件。我们承担国家 863 计划该课题的研究成果表明，我们有着完全自主知识产权的低成本、大规模发展 CBF 的新技术、新装置和新工艺。
⑺ 从全球的发展水平看，全世界 CBF 的技术及规模尚处于初级阶段，这给我们追赶乃至超过国外的先进技术水平提供了很大的发展空间和市场机遇！建议 FRP 领域的同仁们在碳纤维短缺的时期，要积极开发新产品，以变应变，把碳纤维的短缺当作一个契机或者说是转机，开发以CBF 为原料的新产品。我认为新产品开发要源于市场，更要高于市场，要主动去引导市场。只要大家努力，我们就可以利用 CBF 优异的综合性能和良好的性价比，去开发出更多的新产品。与其它高科技纤维的发展相比，我国 CBF 的发展是最有希望“后来者居上”、终将成为全世界最大的生产及应用大国。
参考文献:
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