玄武岩纤维：既能造飞机又能做衣服的石头

玄武岩本是我国常见的一种普通铺路石料，但经过特殊手段处理后，它却能改变形态，变成一种泛着金属光泽的高性能纤维材料——玄武岩纤维。这种纤维的强韧度是钢材的5到10倍，重量却是同体积钢材的三分之一左右，相比之前，应用价值大大提升。因此，有人形象地把它的制造技术称为“点石成金术”。

高质量发展的实现离不开强大的新材料支撑。“十三五”期间，国家将玄武岩纤维列为重点发展的四大纤维材料之一，今年年初施行的《重点新材料首批次应用示范指导目录（2019年版）》也再次将玄武岩纤维列入关键战略材料。

近年来，我国玄武岩纤维制造技术加速发展，取得许多新成果，为新基建、智能制造等新兴产业的发展提供了强大支持。

从普通铺路石到高新纤维材料

常看武侠剧的人，一定会对剧中的一种神奇盔甲印象深刻：它们由“金丝”制成，穿在身上不仅轻便，还能刀枪不入，是颇具神秘色彩的宝物。而现如今，科研人员真的制造出了这种神秘盔甲，它们不仅坚韧轻便，还被赋予了更多强大功能。

比如，消防队员们在火海中冲锋，他们的“盔甲”能够隔热、耐高温；宇航员们在太空遨游，他们的“盔甲”能阻挡辐射；船舶在海中航行，它们的“盔甲”既有韧性，还能防腐；大桥架通南北，它们的“盔甲”坚固耐磨，还不沉重……

制作这样的“盔甲”，常见的金属材料已然无法满足上述使用要求。但一种高新纤维材料——玄武岩纤维却能做到。

将玄武岩矿石粉碎磨粉后倒入熔炉，在超过1200摄氏度的高温加热下，粉料变成了液体状态。这些溶液经过澄清冷却和均质化后，通过漏板，在拉丝机的高速牵引下，像棉花糖一样被拉成一根根7至20微米的细丝，这就是玄武岩纤维。

虽然一根玄武岩纤维丝的直径只有头发丝的三分之一，但其强度却是同等直径钢纤维的两倍，比合金耐腐蚀，能耐受500摄氏度的高温。加捻的玄武岩纤维像棉线，织成布可以用来做防护服。将玄武岩纤维和高分子基体采用特定的工艺成型后制得的纤维增强复合材料则具有高强度比，可以用来制造坦克、舰船、飞机的外壳。更可贵的是，玄武岩是一种天然矿石，制造玄武岩纤维的过程中基本没有有害物质排出，对环境污染很小。

玄武岩纤维的应用范围十分广泛，在航空、航天、建筑建材、道路桥梁建设、舰艇船舶制造、风力发电等领域都能大展身手。

中国公路学会专家委员会副主任侯金龙介绍：“路用玄武岩纤维可以有效降低路面的裂缝和车辙的病害，大大延长路面使用寿命，在改善和提升路面结构高温稳定性、低温抗裂性等方面均有显著效果。”

2018年年底，著名的南京长江大桥经过封闭维修，再次通车。升级版的南京长江大桥就在关键部位使用了玄武岩纤维。玄武岩纤维有优异的抗拉增强性能，大桥施工人员将玄武岩纤维与混凝土构件粘结，对大桥进行加固，让桥梁更轻盈、更长寿。此外，我国在杭金衡高速公路、郑万高速铁路以及南海岛礁等工程的建设中也用到了玄武岩纤维。

“玄武岩纤维技术出现仅30年，世界各国对该技术的应用都处于初级阶段。”中科院地质与地球物理研究所研究员刘嘉麒介绍，现在全世界生产的玄武岩纤维甚至不能满足需求的百分之一。同时，我国玄武岩资源十分丰富，甘肃、黑龙江、新疆、山西、四川等地均有大量的玄武岩矿产资源分布。如果这些大部分被用来铺路的石头得到充分利用，变成纤维材料，将会对新材料产业有很大促进作用。

想让矿石“听话”需要攻克数十个难关

把坚硬的石头熔化拉丝变成纤维，并非易事，尤其是当你面对的还是一种不那么“听话”的石头。

中国科学院新疆理化技术研究所研究员马鹏程多年致力于玄武岩纤维研究，他告诉记者：“首先，玄武岩矿石属于天然产物，化学成分波动性较大，因此，在制备中玄武岩纤维的性能本身就不稳定。其次，从玄武岩矿石到玄武岩纤维需要经过熔制和纤维成型两个过程。在玄武岩熔制过程中，矿石中的多种矿物逐步熔化，一旦有未完全熔化的晶相存在，便很容易形成二次结晶的晶核；在玄武岩纤维成型过程中，玄武岩熔融体也有不同程度的析晶倾向。这种析晶是需要尽量避免的，否则将影响纤维的特性和最终产品的质量。”

令人自豪的是，中国是目前全世界少数几个掌握了玄武岩纤维拉丝生产技术的国家。马鹏程表示，我国对玄武岩纤维的研究虽然起步较晚，但经过不断的艰难探索，科研人员和相关企业攻克了不少制造技术的难关，实现了玄武岩纤维的批量生产并形成一定市场规模。

玄武岩熔融拉丝全电熔池窑技术是我国的自主创新技术。6月22日，我国具有完全自主知识产权的世界首套玄武岩连续纤维万吨级池窑生产线正式投产。7月1日，玄武岩纤维2400孔漏板拉丝智能化池窑生产线也点火投产。

“完全自主设计的熔化窑炉是整条生产线最核心的装备。”李军表示，“所谓‘全电熔池窑’，是指窑炉在矿物料熔化过程中全部采用电能作为能源，通过在玄武岩熔液的内部放置电极，采用内部加热方式完成岩石熔融。”

为解决玄武岩在熔制过程中不稳定的问题，相关企业的研究人员对玄武岩纤维池窑拉丝技术进行了大量攻关研究，经历过无数次的失败与无数次的尝试，攻下了数十个难题。比如，为了让玄武岩在制造中更加稳定，技术人员在矿石原料选取阶段通过大数据进行优选，确保矿石原料的品位较高。在粉碎制料阶段，通过全球首创的原料空气动力粉碎、均质化等技术方式，提升原料矿物组分的稳定性。在熔融阶段，通过设计大型单元池窑的方式，解决了玄武岩矿物原料熔化能力小和均匀性差的难题；通过采用纯氧燃烧与电助熔相结合的方式，解决了玄武岩熔化温度高的难题。

为降低玄武岩拉丝成本，改善纤维丝的品质，技术人员在溶液变成细丝的关键设备——漏板上做文章，力争在拉丝过程中不仅实现一拖多个漏板，而且尽可能多地增加每个漏板的孔数。

“新材料是近些年才开始兴起的，我们没有太多国外成熟的技术可以引进，注定要自主创新。通过科技手段，让玄武岩这样一个低附加值的产品焕发出它的勃勃生命力，这是我们科研工作者的理想和使命。”马鹏程表示。

我国部分新材料技术创新已进入“无人区”

材料是制造业的基础，塑造着大国的筋骨。

中国工程院院士干勇表示，以新一代信息技术、新能源、智能制造等为代表的新兴产业对材料提出了更高要求，新材料的研发难度前所未有，创新难度不断加大。可以说，我国部分新材料技术创新已进入“无人区”。

就玄武岩纤维来说，如何通过技术创新，让这种材料性能更强大、价格更亲民，是科研工作者和生产制造者们下一步要解决的问题。

在玄武岩矿藏丰富的新疆，中国科学院新疆理化技术研究所（以下简称新疆理化所）建立了基于国内地理、地质等因素考虑的中国玄武岩纤维材料大数据库，形成玄武岩纤维领域的数据共享和大数据分析，数据库成果可以用来指导纤维拉丝过程，为开发高性能玄武岩纤维材料提供技术可行性。

新疆理化所的研究助理邢丹介绍，以前，玄武岩纤维是一种不导电的纤维，因而被默认为是一种绝缘材料。但近年来，科研人员利用玄武岩纤维本身含有的金属元素实现了碳纳米材料在纤维表面的可控生长，获得了导电纤维材料，颠覆了传统玄武岩纤维是绝缘体的概念，增加了玄武岩纤维的功能价值、拓展了材料在电磁屏蔽等领域的应用。

同时，随着我国探月工程的推进，科研人员已经在探究用月球表面分布的玄武岩质月壤制作连续纤维的可行性。研究结果表明，月壤与地球玄武岩矿石具有相近的化学成分、矿物相组成和类似的成纤行为。

不仅是玄武岩纤维，资料显示，近年来，我国新材料创新体系日趋完善，制造业创新中心、技术创新中心、国家重点实验室、产业基地等已达到400家左右，相关创新性成果不断涌现。

今年5月，西南交通大学等科研团队研发出一种高强阻燃型玻璃纤维复合材料。这种材料可以应用在轨道交通领域，通过给轨道电力、应急设施“穿上”高强阻燃型玻璃纤维的新材料“盔甲”，轨道的强度、阻燃、耐腐蚀、绝缘、导热、耐水等性能指标均可实现较大提升。

马鹏程表示，其实新材料不见得是一种全新物质，通过科技手段对传统材料进行创新转化，也是新材料的一种。随着新材料研究的推进，未来，不仅是石头，植物、金属等日常生活中司空见惯的东西都能华丽变身，为我们的生活带来不一样的全新感受。（王雅慧）

中国工程院院士、副院长干勇：新材料技术是一个底盘技术

中央纪委国家监委网站 王雅婧

新材料是支撑现代制造业的物质基础，也是国家七大战略性新兴产业之一。当新一轮科技革命与我国经济发展转型形成历史性交汇，我国新材料产业发展迎来一次难得的历史性机遇，也面临着“不赶上就出局”的巨大挑战。我国新材料发展面临怎样的发展形势？为什么说“赶不上就出局”？近日，记者就相关问题连线中国材料领域的专家——中国工程院院士干勇。

记者：习近平总书记在山西视察时指出，新材料产业是战略性、基础性产业，也是高技术竞争的关键领域，我们要奋起直追、迎头赶上。为什么说新材料是战略性、基础性产业？

干勇：万物都是由物质组成的，物质再往前发展一步，就是材料。我们的生活离不开材料，我们实体经济的发展、技术的发展，更离不开材料的支撑。材料产业是国民经济建设、社会进步和国防安全的物质基础。特别是现在，工业化同信息化的交叉融合使得整个工业化的进程加快，可以说，人类已经进入到一个新的时期。新时期要想加快发展，必须重视材料的作用。因为一代材料决定一代技术，技术的发展首先是材料的发展。新一代材料发展以后，才能带动新一代技术、新一代设备装备、新一代工程的发展。比如说，超导材料出现以后，我们才能生产出一系列高端医疗器械；新一代半导体材料用好以后，5G通信等才有进一步发展的可能。所以说，新材料是一个战略性、基础性的产业。

新材料有两种，一种是我们发现了一些有新用途、新功能的材料，一种是对传统材料进行升级，使它产生新的性能。目前，我国在钢铁、有色金属、稀土金属、水泥、玻璃、化学纤维等百余种材料的产量上都居于世界前列。这些传统的基础材料经过先进技术制备后，就能够变成一种新的材料，进而可以再变成器件、模组等我们需要的制品用于一些工程的建设中。这种材料性能的变化，才产生了新的产业，进而产生新的装备，新的国家实力。就像我们的身体要想长大，必须先有骨骼、肌肉。所以，新材料技术是一个底盘技术。

更重要的是，新材料还有一个先导性的引导作用。所有的先进产业的产生、发展，先进装备、高端装备的出现，首先得有能满足它这个先进功能的材料。所以材料的性能一旦提升以后，那么其他产业也相应跟着发展。材料应该是先行的。也正因为它有引导性，这才有战略性。

你看我们以前研究制造一些高性能的飞机，有时候是飞机研究出来了，再去研制配套材料，后来就会发现，搞不上去了，因为来不及了。因为材料发展的周期比技术发展的周期要长，你整体设计的飞机出来以后，具体的材料不行，那飞机的质量水平肯定上不去。

记者：我们国家在新材料发展上已取得哪些成果或具备哪些优势？还存在哪些亟待补足和完善的地方？

干勇：目前，我们国家已经建立了比较健全的材料体系，国民经济所需的基本材料我们几乎都有。但是在新材料方面，尤其是很多高端材料，包括一些关键复合材料、新型能源材料、半导体材料、稀土功能材料、信息显示材料、生物医用材料等，我们还不具备。但可喜的是，我们国家在新材料方面也在奋力追赶，比如碳纤维、石墨烯等发展就很迅速，再比如我们的超级钢，现在普及应用也做得很好。

此外，我们在新材料方面和一些发达国家的差距还在于对材料性能的提升上。现代经济社会的发展需要越来越精密的产业装备，这些精密的产业装备又需要超高纯的、高强度的以及特殊性能的材料，同时还要求材料的成本要低。尤其是像航空航天这样的战略性行业，所需的材料国外是不会卖给我们的，他们只会卖给我们飞机这种成品装备。所以一旦我们在这方面不具备生产能力，就会被人家“卡死”。

所以我感觉，中国在关键战略材料上还需要发力，尤其是要加强自主创新能力。因为目前很多新材料以及新材料的生产技术都是国外发明的，所以很多新材料方面的标准都是国外定的。我们需要有自己的技术，才能有自己在新材料上的话语权。

记者：有人认为未来5年将是我国新材料发展由大做强的关键时期。对此，您怎么看？

干勇：为什么有人说未来5年是我国新材料发展由大做强的关键时期？我个人的看法是，今年是“十三五”规划收官之年，也是全面建成小康社会决胜之年，我们国家进入“十四五”以后，实际上正好是世界第四次工业革命时期。第四次工业革命，是以石墨烯、基因、虚拟现实、量子信息技术等为技术突破口的工业革命。前三次工业革命，中国都没赶上，都错过了。所以这一次，我们不能再落下了。

我刚才也说了，材料是基础，所以材料首先要突破，我们的其他高新技术产业才能够做大做强。我觉得，今后10年到15年，我们国家的新材料产业发展必须要迈入国际一流方阵，实现从材料大国向材料强国的转变，我们才能提制造业强国这些概念，因为材料不强，其他的没办法真正强起来，最后还是要受制于人。材料上不突破，我们在第四次工业革命的浪潮中又要被人家落下了。

另外，我们现在也具备从材料大国变成材料强国的条件。比如我们有大量材料领域的研究人员。材料研制的特点是周期长，尤其是要研究一种新材料，不仅时间很长，而且投入大，还没法马上取得应用。好在我们的研究人员不怕苦，我们的科研人才力量是充足的，我们国家150多所高校设有材料专业，新材料领域的两院院士有200多名，新材料的国家重点实验室超过60个，这些完整的体系已成为全面推动我们新材料产业发展的支撑。另外，我们国内有广阔的材料市场，市场需求量很大。经济会推动众多技术的发展，进而支持我们在新材料领域的研究。比如我们现在调整能源结构，对燃煤技术进行改造，需要几千万的耐热合金和耐热钢。还有我们进行深海开采，需要各种耐蚀合金和海水淡化膜材料。

我感觉，大概5年左右我们能够在材料方面进入一种基本安全的状态；大概10年左右，我们能在一些材料领域做强。目前来说，我们必须抓紧时间，一定要跟上，不跟上，就会出局。

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