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圖為玄武巖纖維成品,。(資料圖片)
玄武巖本是我國常見的一種普通鋪路石料,但經(jīng)過特殊手段處理后,它卻能改變形態(tài),變成一種泛著金屬光澤的高性能纖維材料——玄武巖纖維。這種纖維的強(qiáng)韌度是鋼材的5到10倍,重量卻是同體積鋼材的三分之一左右,相比之前,應(yīng)用價值大大提升,。因此,有人形象地把它的制造技術(shù)稱為“點石成金術(shù)”,。 高質(zhì)量發(fā)展的實現(xiàn)離不開強(qiáng)大的新材料支撐?！笆濉逼陂g,國家將玄武巖纖維列為重點發(fā)展的四大纖維材料之一,今年年初施行的《重點新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄(2019年版)》也再次將玄武巖纖維列入關(guān)鍵戰(zhàn)略材料,。 近年來,我國玄武巖纖維制造技術(shù)加速發(fā)展,取得許多新成果,為新基建、智能制造等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了強(qiáng)大支持,。 從普通鋪路石到高新纖維材料 ?？次鋫b劇的人,一定會對劇中的一種神奇盔甲印象深刻:它們由“金絲”制成,穿在身上不僅輕便,還能刀槍不入,是頗具神秘色彩的寶物。而現(xiàn)如今,科研人員真的制造出了這種神秘盔甲,它們不僅堅韌輕便,還被賦予了更多強(qiáng)大功能,。 比如,消防隊員們在火海中沖鋒,他們的“盔甲”能夠隔熱、耐高溫;宇航員們在太空遨游,他們的“盔甲”能阻擋輻射;船舶在海中航行,它們的“盔甲”既有韌性,還能防腐;大橋架通南北,它們的“盔甲”堅固耐磨,還不沉重…… 制作這樣的“盔甲”,常見的金屬材料已然無法滿足上述使用要求,。但一種高新纖維材料——玄武巖纖維卻能做到,。 將玄武巖礦石粉碎磨粉后倒入熔爐,在超過1200攝氏度的高溫加熱下,粉料變成了液體狀態(tài)。這些溶液經(jīng)過澄清冷卻和均質(zhì)化后,通過漏板,在拉絲機(jī)的高速牽引下,像棉花糖一樣被拉成一根根7至20微米的細(xì)絲,這就是玄武巖纖維,。 雖然一根玄武巖纖維絲的直徑只有頭發(fā)絲的三分之一,但其強(qiáng)度卻是同等直徑鋼纖維的兩倍,比合金耐腐蝕,能耐受500攝氏度的高溫,。加捻的玄武巖纖維像棉線,織成布可以用來做防護(hù)服。將玄武巖纖維和高分子基體采用特定的工藝成型后制得的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料則具有高強(qiáng)度比,可以用來制造坦克、艦船,、飛機(jī)的外殼,。更可貴的是,玄武巖是一種天然礦石,制造玄武巖纖維的過程中基本沒有有害物質(zhì)排出,對環(huán)境污染很小。 玄武巖纖維的應(yīng)用范圍十分廣泛,在航空,、航天,、建筑建材、道路橋梁建設(shè),、艦艇船舶制造,、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域都能大展身手。 中國公路學(xué)會專家委員會副主任侯金龍介紹:“路用玄武巖纖維可以有效降低路面的裂縫和車轍的病害,大大延長路面使用壽命,在改善和提升路面結(jié)構(gòu)高溫穩(wěn)定性,、低溫抗裂性等方面均有顯著效果,。” 2018年年底,著名的南京長江大橋經(jīng)過封閉維修,再次通車,。升級版的南京長江大橋就在關(guān)鍵部位使用了玄武巖纖維,。玄武巖纖維有優(yōu)異的抗拉增強(qiáng)性能,大橋施工人員將玄武巖纖維與混凝土構(gòu)件粘結(jié),對大橋進(jìn)行加固,讓橋梁更輕盈、更長壽,。此外,我國在杭金衡高速公路,、鄭萬高速鐵路以及南海島礁等工程的建設(shè)中也用到了玄武巖纖維。 “玄武巖纖維技術(shù)出現(xiàn)僅30年,世界各國對該技術(shù)的應(yīng)用都處于初級階段,?！敝锌圃旱刭|(zhì)與地球物理研究所研究員劉嘉麒介紹,現(xiàn)在全世界生產(chǎn)的玄武巖纖維甚至不能滿足需求的百分之一。同時,我國玄武巖資源十分豐富,甘肅,、黑龍江,、新疆、山西,、四川等地均有大量的玄武巖礦產(chǎn)資源分布,。如果這些大部分被用來鋪路的石頭得到充分利用,變成纖維材料,將會對新材料產(chǎn)業(yè)有很大促進(jìn)作用。 想讓礦石“聽話”需要攻克數(shù)十個難關(guān) 把堅硬的石頭熔化拉絲變成纖維,并非易事,尤其是當(dāng)你面對的還是一種不那么“聽話”的石頭,。 中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所研究員馬鵬程多年致力于玄武巖纖維研究,他告訴記者:“首先,玄武巖礦石屬于天然產(chǎn)物,化學(xué)成分波動性較大,因此,在制備中玄武巖纖維的性能本身就不穩(wěn)定,。其次,從玄武巖礦石到玄武巖纖維需要經(jīng)過熔制和纖維成型兩個過程。在玄武巖熔制過程中,礦石中的多種礦物逐步熔化,一旦有未完全熔化的晶相存在,便很容易形成二次結(jié)晶的晶核;在玄武巖纖維成型過程中,玄武巖熔融體也有不同程度的析晶傾向,。這種析晶是需要盡量避免的,否則將影響纖維的特性和最終產(chǎn)品的質(zhì)量,。” 令人自豪的是,中國是目前全世界少數(shù)幾個掌握了玄武巖纖維拉絲生產(chǎn)技術(shù)的國家,。馬鵬程表示,我國對玄武巖纖維的研究雖然起步較晚,但經(jīng)過不斷的艱難探索,科研人員和相關(guān)企業(yè)攻克了不少制造技術(shù)的難關(guān),實現(xiàn)了玄武巖纖維的批量生產(chǎn)并形成一定市場規(guī)模,。 玄武巖熔融拉絲全電熔池窯技術(shù)是我國的自主創(chuàng)新技術(shù)。6月22日,我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的世界首套玄武巖連續(xù)纖維萬噸級池窯生產(chǎn)線正式投產(chǎn),。7月1日,玄武巖纖維2400孔漏板拉絲智能化池窯生產(chǎn)線也點火投產(chǎn),。 萬噸級池窯生產(chǎn)線所在的四川省玻纖集團(tuán)有限公司技術(shù)部經(jīng)理李軍介紹,與傳統(tǒng)工藝相比,池窯法工藝作業(yè)穩(wěn)定,、自動化程度高,可以讓巖石的熔化率更高,能夠同比降低生產(chǎn)成本40%以上,大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。 “完全自主設(shè)計的熔化窯爐是整條生產(chǎn)線最核心的裝備,?！崩钴姳硎?“所謂‘全電熔池窯’,是指窯爐在礦物料熔化過程中全部采用電能作為能源,通過在玄武巖熔液的內(nèi)部放置電極,采用內(nèi)部加熱方式完成巖石熔融?！?/span> 為解決玄武巖在熔制過程中不穩(wěn)定的問題,相關(guān)企業(yè)的研究人員對玄武巖纖維池窯拉絲技術(shù)進(jìn)行了大量攻關(guān)研究,經(jīng)歷過無數(shù)次的失敗與無數(shù)次的嘗試,攻下了數(shù)十個難題,。比如,為了讓玄武巖在制造中更加穩(wěn)定,技術(shù)人員在礦石原料選取階段通過大數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)選,確保礦石原料的品位較高。在粉碎制料階段,通過全球首創(chuàng)的原料空氣動力粉碎,、均質(zhì)化等技術(shù)方式,提升原料礦物組分的穩(wěn)定性,。在熔融階段,通過設(shè)計大型單元池窯的方式,解決了玄武巖礦物原料熔化能力小和均勻性差的難題;通過采用純氧燃燒與電助熔相結(jié)合的方式,解決了玄武巖熔化溫度高的難題。 為降低玄武巖拉絲成本,改善纖維絲的品質(zhì),技術(shù)人員在溶液變成細(xì)絲的關(guān)鍵設(shè)備——漏板上做文章,力爭在拉絲過程中不僅實現(xiàn)一拖多個漏板,而且盡可能多地增加每個漏板的孔數(shù),。 “新材料是近些年才開始興起的,我們沒有太多國外成熟的技術(shù)可以引進(jìn),注定要自主創(chuàng)新,。通過科技手段,讓玄武巖這樣一個低附加值的產(chǎn)品煥發(fā)出它的勃勃生命力,這是我們科研工作者的理想和使命?！瘪R鵬程表示,。 我國部分新材料技術(shù)創(chuàng)新已進(jìn)入“無人區(qū)” 材料是制造業(yè)的基礎(chǔ),塑造著大國的筋骨。 中國工程院院士干勇表示,以新一代信息技術(shù),、新能源,、智能制造等為代表的新興產(chǎn)業(yè)對材料提出了更高要求,新材料的研發(fā)難度前所未有,創(chuàng)新難度不斷加大?？梢哉f,我國部分新材料技術(shù)創(chuàng)新已進(jìn)入“無人區(qū)”,。 就玄武巖纖維來說,如何通過技術(shù)創(chuàng)新,讓這種材料性能更強(qiáng)大、價格更親民,是科研工作者和生產(chǎn)制造者們下一步要解決的問題,。 在玄武巖礦藏豐富的新疆,中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所(以下簡稱新疆理化所)建立了基于國內(nèi)地理,、地質(zhì)等因素考慮的中國玄武巖纖維材料大數(shù)據(jù)庫,形成玄武巖纖維領(lǐng)域的數(shù)據(jù)共享和大數(shù)據(jù)分析,數(shù)據(jù)庫成果可以用來指導(dǎo)纖維拉絲過程,為開發(fā)高性能玄武巖纖維材料提供技術(shù)可行性。 新疆理化所的研究助理邢丹介紹,以前,玄武巖纖維是一種不導(dǎo)電的纖維,因而被默認(rèn)為是一種絕緣材料,。但近年來,科研人員利用玄武巖纖維本身含有的金屬元素實現(xiàn)了碳納米材料在纖維表面的可控生長,獲得了導(dǎo)電纖維材料,顛覆了傳統(tǒng)玄武巖纖維是絕緣體的概念,增加了玄武巖纖維的功能價值,、拓展了材料在電磁屏蔽等領(lǐng)域的應(yīng)用。 同時,隨著我國探月工程的推進(jìn),科研人員已經(jīng)在探究用月球表面分布的玄武巖質(zhì)月壤制作連續(xù)纖維的可行性,。研究結(jié)果表明,月壤與地球玄武巖礦石具有相近的化學(xué)成分,、礦物相組成和類似的成纖行為。 不僅是玄武巖纖維,資料顯示,近年來,我國新材料創(chuàng)新體系日趨完善,制造業(yè)創(chuàng)新中心,、技術(shù)創(chuàng)新中心,、國家重點實驗室、產(chǎn)業(yè)基地等已達(dá)到400家左右,相關(guān)創(chuàng)新性成果不斷涌現(xiàn),。 今年5月,西南交通大學(xué)等科研團(tuán)隊研發(fā)出一種高強(qiáng)阻燃型玻璃纖維復(fù)合材料,。這種材料可以應(yīng)用在軌道交通領(lǐng)域,通過給軌道電力、應(yīng)急設(shè)施“穿上”高強(qiáng)阻燃型玻璃纖維的新材料“盔甲”,軌道的強(qiáng)度,、阻燃,、耐腐蝕、絕緣,、導(dǎo)熱,、耐水等性能指標(biāo)均可實現(xiàn)較大提升。 馬鵬程表示,其實新材料不見得是一種全新物質(zhì),通過科技手段對傳統(tǒng)材料進(jìn)行創(chuàng)新轉(zhuǎn)化,也是新材料的一種,。隨著新材料研究的推進(jìn),未來,不僅是石頭,植物,、金屬等日常生活中司空見慣的東西都能華麗變身,為我們的生活帶來不一樣的全新感受。
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