玄武巖纖維復(fù)合材料的特性與應(yīng)用

卜繁強 董月 金偉光 張文忠 杜香剛

【摘要】 本文介紹了玄武巖纖維及其復(fù)合材料制品的特性，概述了其在汽車、醫(yī)療器械、軍工、石化、機車車輛等領(lǐng)域中的應(yīng)用情況，最后對玄武巖纖維的發(fā)展前景進行了展望。

【關(guān)鍵詞】 玄武巖纖維;復(fù)合材料;特性;應(yīng)用

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2019.03.010

Abstract： In this paper， the characteristics of basalt fibers and their composites are introduced. The applications of basalt fibers in automobiles，medical devices，military industry，petrochemical industry，locomotives and rolling stocks are summarized. Finally，the development prospect of basalt fibers is prospected.

Key words： basalt fiber;composite;characteristic;application

玄武巖纖維是國際材料領(lǐng)域中的新型綠色環(huán)保材料，連續(xù)玄武巖纖維（CBF）是以火山巖（多種玄武巖等）為原料制成，其除具有高強度（單絲抗拉強度可達3000～4840 MPa）、高模量（91～110 G）等特點外[1]，還具有耐高溫及低溫性能（-269～700 ℃[2]）、耐酸堿、抗氧化、高電絕緣性、絕熱隔音、防火阻燃、電磁透過性好、抗壓縮強度和剪切強度高、適應(yīng)于多種工況條件等優(yōu)異性能[3-6]。因此，玄武巖纖維可以廣泛應(yīng)用于消防、節(jié)能環(huán)保、石油化工、航空航天、軍工、汽車船舶制造、軌道交通、工程塑料及建筑等領(lǐng)域[7-8]。同時在成本上，玄武巖纖維較其它纖維具有更高的性價比。

1 玄武巖纖維復(fù)合制品的特點

玄武巖纖維復(fù)合材料是以連續(xù)玄武巖纖維/短切纖維增強的樹脂基復(fù)合材料，可滿足拉擠、纏繞、真空輔助成型等多種成型工藝，可與多種熱固及熱塑性樹脂復(fù)合。

用連續(xù)玄武巖纖維增強的樹脂基復(fù)合材料的強度、熱穩(wěn)定性、電絕緣性能均優(yōu)于玻璃纖維增強材料，可在很大程度上替代玻纖、碳纖維和石棉制品[9]。由于玄武巖纖維的優(yōu)異性能，玄武巖纖維復(fù)合材料無論在力學(xué)性能上、還是耐腐蝕、隔音、保溫、降噪等方面都具有突出特點。

玄武巖纖維復(fù)合管材、罐體與鋼質(zhì)產(chǎn)品相比，具有成本低廉、綠色環(huán)保、重量輕（鋼鐵的1/4）、剛性好、強度高、耐水耐蝕性能突出（表面光滑且不生銹、不易結(jié)垢結(jié)蠟）、保溫性能優(yōu)良等諸多優(yōu)勢，與玻纖管材及罐體相比，其具有使用壽命長，耐酸堿等突出優(yōu)點，設(shè)計使用壽命超過50年。因此，近年來玄武巖纖維的開發(fā)應(yīng)用引起了很大的關(guān)注。

玄武巖纖維復(fù)合材料型材主要包括：玄武巖纖維復(fù)合材料單向板、織物復(fù)合材料層合板、復(fù)合材料管及罐體、以及各種手糊、模壓、拉擠異型材等，生產(chǎn)工藝涵蓋手糊、拉擠、模壓、RTM、纏繞等。

2 玄武巖纖維制品的應(yīng)用情況

玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)已經(jīng)有半個世紀(jì)的發(fā)展歷程，特別是近20年來發(fā)展迅速。其應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸擴展。

2.1 汽車領(lǐng)域應(yīng)用

玄武巖纖維復(fù)合材料制備的輕型貨車板簧，較相同規(guī)格原鋼制板簧直接降重75%。圖1為玄武巖纖維復(fù)合板簧實物圖。

應(yīng)用于玄武巖纖維復(fù)合材料制造的新能源汽車電池殼體（圖2）與原有材料生產(chǎn)的產(chǎn)品相比較，在性能不變的情況下，減重能達到30%～50%。

玄武巖纖維復(fù)合材料在廂式貨車、冷暖車上得到了廣泛應(yīng)用，玄武巖纖維復(fù)合板材（圖3）與普通玻纖板材相比，具有防火、隔熱性好、隔音效果佳、吸濕率低、強度和硬度更高的優(yōu)點，復(fù)合板材料平均性能相較于玻纖高出20%以上、硬度高出40%。

（a）板材正面照片;（b）板材側(cè)面照片

玄武巖纖維增強備胎池（圖4）具有輕量、耐高溫抗腐蝕、抗熱變形（排氣管余熱）、剛度更佳、更好的阻尼特性等優(yōu)點。與原金屬備胎池相比，減重可達35%以上。

2.2 醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用

吉林通鑫玄武巖科技股份有限公司與國外公司合作研發(fā)了CT用床板（圖5），具有重量輕，強度高，韌性好的優(yōu)點，該床板各項性能均可以滿足使用需求。

2.3 石油管道領(lǐng)域中的應(yīng)用

玄武巖纖維復(fù)合材料石油管道（圖6）目前已在俄羅斯大面積推廣，該管道耐腐蝕能力強、強度高、施工安裝簡單。玄武巖纖維制造的輸油管道內(nèi)表面能防止鹽類和石蠟的堆積，內(nèi)壁光滑，摩擦阻力小，液體通過能力較同直徑鋼質(zhì)管材大20%。

2.4 其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

由于玄武巖纖維良好的力學(xué)性能及耐溫性，導(dǎo)彈發(fā)射筒使用玄武巖纖維制造后，增加了其使用壽命。此外，玄武巖纖維復(fù)合制品應(yīng)用在軌道列車地板上，并獲得良好的減震降噪效果。而使用玄武巖纖維復(fù)合材料研制的動車車頭開閉罩，可以有效地提高其韌性。

3 總結(jié)

玄武巖纖維及其復(fù)合制品具有優(yōu)異的力學(xué)性能、高溫穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、吸音性能、隔熱性能、絕緣性能、環(huán)保性能、以及與混凝土和砂漿的天然相容性等性能，使其在強度、熱穩(wěn)定性、電絕緣性能方面均優(yōu)于玻璃纖維增強材料。玄武巖纖維復(fù)合制品在建筑結(jié)構(gòu)補強、道路交通設(shè)施、汽車部件、醫(yī)療器械、軍工等領(lǐng)域已經(jīng)得到應(yīng)用。

雖然玄武巖纖維相關(guān)產(chǎn)品具備優(yōu)良的使用性能，但由于現(xiàn)階段對玄武巖纖維復(fù)合材料的社會認知度和市場認可度較低，推廣受到了一定的限制。近些年來，玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，相信抓準(zhǔn)切入點，玄武巖纖維復(fù)合材料可在機械制造、航空航天、船舶、汽車、建材、軌道車輛等領(lǐng)域擁有很好的應(yīng)用前景。

【參考文獻】

[1] 孫哲，余黎明.玄武巖纖維的發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2019（1）：16-20.

[2] 齊風(fēng)杰，李錦文，李傳校，等.連續(xù)玄武巖纖維研究綜述[J].高科技纖維與應(yīng)用，2006（2）：42-46.

[3] 楊明清，秦黎明，付麗霞.玄武巖纖維管材在石油領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景分析[J].科技導(dǎo)報，2013，（7）：75-79.

[4] 趙勐，李青山，謝磊，等.玄武巖連續(xù)纖維的特性與應(yīng)用[J].中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2007（4）：11-13.

[5] 呂海榮，楊彩云，韓大偉.復(fù)合材料用玄武巖增強纖維的性能研究[J].材料工程，2009（S2）：89-92.

[6] 謝爾蓋，李中郢.玄武巖纖維材料的應(yīng)用前景[J].纖維復(fù)合材料，2003（3）：17-20.

[7] 張曉青，馮靜，王仁舒，等.玄武巖纖維的研究進展及應(yīng)用[J].山東化工，2019（4）：46-47.

[8] 胡顯奇，申屠年.連續(xù)玄武巖纖維在軍工及民用領(lǐng)域的應(yīng)用[J].高科技纖維與應(yīng)用，2005（6）：7-13.

[9] 李紅杰，趙世海，張新建.連續(xù)玄武巖纖維的研究進展及其應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2016（11）：256-259.