专栏故事
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玄武岩纤维的原料特性和多元化应用研究进展*
李 蒙1,2，邢 路1,2，邢 丹1,2，郝 斌1,2，马鹏程1,2
（1. 中国科学院新疆理化技术研究所，乌鲁木齐830011 ；
2. 中国科学院大学，北京 100049）
摘 要：通过对玄武岩纤维从基础研究到产业化应用进展的论述，提出了玄武岩矿石分级利用的新路径，阐述了玄武岩矿石熔融与熔体成纤过程中的相变机制，明确了熔融温度、冷却速率等关键参数对纤维结构和性能的影响规律，探讨了多组分浸润剂对纤维力学性能的作用机理。开展分级利用生产原料，优化生产工艺，突破多品种纤维浸润剂等核心技术研究，是提升玄武岩纤维性能、拓展其应用领域的有效手段。
关键词：玄武岩纤维；结构；性能；浸润剂；应用
基金项目名称：国家自然科学基金青年基金资助项目（52402137，52302371）；新疆维吾尔自治区“天池英才”引进计划（2023000031）；“天山英才”培养计划（2022TSYCLJ0041）；自然科学基金青年基金（2024D01B82）
玄武岩纤维是以天然玄武岩矿石为原料，经 1500℃ 以上的高温熔融后，通过铂铑合金漏板及拉丝机高速拉制而成的连续纤维［1］。玄武岩纤维具有强度高、耐温、耐腐蚀等优异性能［2］，是一种无毒无害的环境友好型材料，与碳纤维、芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维并称“中国四大高性能纤维”［3，4］。玄武岩纤维的力学性能及耐腐蚀性能优于玻璃纤维，强度、刚度和耐久性可与芳纶纤维相媲美，耐高温性能甚至可以超越碳纤维，具有极高的性价比［5］，可被广泛应用于建筑交通、能源环境、汽车船舶、石油化工、航天航空以及国防军工等领域［6］。
天然形成的玄武岩纤维可追溯至远古时期夏威夷岛火山喷发。岛上原著居民偶然发现了一些质地柔软的金黄色细丝状物质，被称为“Pele's hair” （Pele 名称来源于夏威夷的火神佩蕾，代表火山活动和熔岩的力量）。当火山熔岩以高速喷发时，受到风力的迅速拉伸，熔体在空气中快速冷却，最终形成直径小于 0.5 mm 的纤维状物质。
连续玄武岩纤维的研究可追溯至 20 世纪初（如图1所示）。法国科学家 Paul Dhé 率先提出利用玄武岩制备纤维的构想，并于1922年获得美国专利。随后，在 1953~1954 年，苏联莫斯科玻璃塑料研究所成功研制出玄武岩纤维，成为该领域研究从理论探索迈向实践应用的关键转折点。进入 20 世纪 60 年代，美国和苏联同步开展玄武岩纤维材料的性能与应用研究，尤其在军事与国防领域进行了深入的探索。苏联乌克兰建材工业部自 1972 年启动研发后，陆续开发出 20 余种玄武岩纤维产品，率先在航空航天等高端领域取得应用［7-9］。1995 年之后， 玄武岩纤维技术逐渐从军事领域转向民用市场。当前，全球范围内已形成由俄罗斯、乌克兰、中国等国参与的玄武岩纤维产业联盟，各成员国在该领域均取得了阶段性技术突破。如日本与乌克兰合作开发了用于汽车排气消声器的高性能玄武岩纤维材料［10］。整体而言，玄武岩纤维经历了从理论探索到实践应用、从军事管控到民用拓展、从技术分散到协同创新的转型，加速了这一产业化的快速发展。
图1 玄武岩纤维国际发展历程［11］
中国玄武岩纤维的发展历程始于 20 世纪 70 年代，中国建筑材料科学研究院和南京玻璃纤维研究设计院率先研究其生产工艺，但未能实现工业化生产［12］。进入 21 世纪后，技术突破成为产业发展的重要转折点。2001 年，哈尔滨工业大学科研团队成功研制出国内首套单体炉成丝系统，为后续产业化发展奠定了坚实基础。国家政策的支持进一步推动了玄武岩纤维的研发与应用。2002 年科技部将玄武岩纤维及其增强复合材料列入“863 计划”。2003 年我国首家玄武岩纤维生产企业在上海正式投产，并于 2004 年实现了规模化生产［13］。近年来，中国玄武岩纤维产业取得了显著的突破性进展。2016 年，贵州石鑫等公司建成年产1万t玄武岩纤维生产线，致力于开发高性能玄武岩纤维及其复合材料制品。2020 年，四川玻纤集团建成了全球首个万吨级池窑生产线。截止 2024 年，行业产量突破 3 万t，预计到 2025 年，规划产能将超过15 万t。 目前，四川、新疆等地凭借资源优势和产业政策支持，成为我国玄武岩纤维产业的重要基地［14］。总体而言，中国玄武岩纤维的发展从初步探索到技术突破，再到政策支持、产业集聚，走出了一条适应中国特色的发展之路。
本文围绕玄武岩纤维的基础研究和应用进展进行综述，探讨玄武岩矿石组成、熔融过程及其对成纤的影响，分析浸润剂修复纤维表面缺陷的机理，研究纤维的组成与结构特征，总结其力学、热学、耐腐蚀等性能，综述其在各领域的应用现状，并展望未来发展趋势。通过系统梳理，本文旨在为玄武岩纤维的深入研究和广泛应用提供思路和方向。
1.1 玄武岩矿石的组成和分布
玄武岩是由火山喷发出的岩浆在地表冷却凝固后形成的岩石，在地球上分布广泛。我国玄武岩资源储量丰富，主要集中在四川、新疆、黑龙江等地［15，16］。基于国内玄武岩矿产资源的分布情况， 科研人员通过整合玄武岩组成、类型等资源禀赋特点，建成了全国玄武岩矿产资源分布数据平台［17］。 该平台覆盖全国 28 个省级区域、400 余个采样区域、4 000 余条详细数据，可为玄武岩矿石的高值化和分级利用提供评估和可行性分析。
玄武岩矿石的组成分为矿物相组成和化学组成。玄武岩的矿物组成主要包括长石、辉石、 橄榄石、尖晶石、钛铁矿、榍石等（如图 2 所示）。 为表述方便，通常以氧化物描述玄武岩的化学组成，主要包括 SiO2、Al2O3、FexOy、CaO、MgO、Na2O、TiO2、K2O等。国内典型区域玄武岩的化学组成如表 1 所示［18］。从表 1 可以看出，不同矿点的矿石成分波动较大，即使是同一矿点矿石成分也存在微小差异。原料成分的波动会增加矿石均质化难度，进而影响纤维的连续产生。因此，在玄武岩纤维的生产过程中，需要对原料成分、熔融的均质化过程予以控制，以确保纤维的稳定制备。
图2 全自动矿物分析系统结果显示典型玄武岩矿石的矿物相组成（采自河北蔚县）
表 1 不同地区玄武岩矿石的化学组成［18］ %
1.2 玄武岩矿石的分级利用
目前，玄武岩矿石的开发多以简单开采和初级加工为主，主要以道渣石、筑路石应用为主，产品附加值低。可以将玄武岩通过不同工艺制备出铸石、岩棉、纤维等产品，相关产业数据如表 2 所示。从表 2 可以看出，玄武岩的产量最大，而岩棉产品的产值最高，纤维的价格最高。通过综合分析玄武岩矿石的成分、矿物组成、熔融状态和应用潜力等，可以提出基于矿石特性的分级利用策略。该策略旨在为玄武岩、铸石、岩棉和纤维的差异化利用提供明确的科学依据，优化矿石经济价值。具体分类可结合玄武岩 TAS 图解（如图 3a 所示）介绍如下 ：
表 2 玄武岩相关产业数据［20-23］
a TAS 图解
b 玄武岩产品的主要化学组成
图3 玄武岩矿石的分级利用策略
SiO2 质量分数为 45%~52%的玄武岩和粗玄岩： 这类矿石次生矿物质量分数较低，具有优异的高温熔融特性，可成为生产连续纤维的理想原料。由于纤维高性能和结构特征，这类产品主要用作复合材料的增强体，在市场上具有最高的价格。
SiO2 质量分数为 53%~57%的玄武质安山岩和玄武质粗安岩 ：这类矿石次生矿物质量分数相对较高，适合用于生产岩棉。由于其在建筑保温领域的广泛应用，岩棉的市场规模最大。
SiO2 质量分数为 58%~63%的安山岩和粗面安山岩：这类矿石次生矿物质量分数较高，在高温熔融过程中易发生不完全熔融或析晶现象。但通过特殊工艺处理，这类矿石可转化为高耐磨的铸石材料［19］。
利用玄武岩矿石生产的铸石、岩棉、纤维等产品的化学组成如图 3b 所示。通过建立“化学组成—工艺特性—产品类型”的关联体系，能够为玄武岩产业发展提供科学的原料优选与产业布局方案，有助于推动玄武岩矿产资源的高效利用和产业升级。
1.3 玄武岩矿石的熔融过程
在高温下，玄武岩矿石中的矿物晶格逐渐被破坏，形成由硅氧四面体、铝氧四面体等结构，这些结构随机排列，形成无规则的三维网络结构，即非晶态结构［24］。Xi［25］等人采用热力学计算软件分析了玄武岩矿石熔融过程中的矿物相转变及相平衡（如图 4a 所示）。结果表明，尖晶石在所有矿物相中最后熔融，尖晶石中Fe含量最高，导致其具有较高的熔化温度，高含量的尖晶石是导致熔体粘度增加的主要原因。
在玄武岩矿石熔融过程中，部分含 Fe 矿物（如尖晶石、磁铁矿等）很难完全熔融（如表 3 所示），在拉丝过程中易堵塞漏板，造成断丝，影响纤维稳定生产。因此，提高熔融温度，延长保温时间是确保矿石完全熔融的有效手段。Yang［26］等人发现玄武岩纤维原料的均质化时间和温度对熔体结构有显著影响。熔体的聚合度随均质时间的增加而增加，随均质温度的升高而降低。熔体聚合度增加，玄武岩纤维的强度增加，纤维的生产稳定性得到改善。
玄武岩熔体的粘度是纤维生产中的关键性能参数，直接影响熔体的流动性、拉丝稳定性和最终纤维的强度。粘度过高易致拉丝困难，过低则影响纤维成型。通过调控熔体粘度，可以优化纤维成型工艺参数。因此，熔体粘度与成型工艺参数间的匹配性调控是开发高性能玄武岩纤维的关键技术路径。 Han［27］等人构建了玄武岩化学组成、熔融温度和熔体粘度等特征的数据集，采用机器学习模型，阐明了玄武岩矿石中硅、铁、镁等氧化物对熔体粘度的影响规律，并成功预测玄武岩熔体成纤的关键参数（如图 4b 所示），拉制出直径和强度可控的玄武岩纤维，单丝强度最高可达 2 061MPa，为玄武岩的熔融成纤过程提供技术参考。
a 热力学相平衡
b 玄武岩熔体粘度的预测值与真实值对比
图 4 玄武岩矿石的熔融过程［25，27］
表 3 玄武岩主要矿物相的熔点［11，28，29］℃
1.4 玄武岩矿石的熔融技术
岩石的加热方式主要包括火焰、电阻、微波、电磁感应、等离子体和激光加热（如表 4 所示）［30-33］。从能效与应用场景角度分析，火焰加热因成本较低、电阻加热因加热效果稳定，均被应用于工业生产；微波与电磁感应加热因高能效和快速加热备受关注；等离子体和激光加热则因高精度的特征，适用于高端精密制造领域。
表4 不同矿石加热方式对比［30-33］
在玄武岩实际熔融生产中，主要使用电阻、火焰和电阻—火焰组合加热方式。根据窑炉的结构及容量，熔融设备可分为坩埚炉和池窑。坩埚炉投资成本低，适合小批量生产，但存在能耗较高生产效率低等不足。池窑能耗较低，生产效率高，适合大批量生产，但投资成本高，对矿石成分和均质化要求高。此外，根据加热方式不同，窑炉还可分为全火焰窑炉、全电窑炉、火焰—电组合窑炉。火焰加热能耗相对较高，易造成熔体不均质，甚至可能引起铂铑合金漏板“中毒”现象。电阻加热能耗相对较低，熔体质量容易控制且稳定性较好。电阻—火焰组合加热方式可以实现合理能耗、熔体均质的效果，但这种组合方式的技术难度大，在实际应用中需要充分确保熔体的均匀性和稳定性［5］。
微波加热技术凭借其升温速率快、穿透性强和环境友好等特点，在玄武岩矿石熔融领域具有应用潜力。为了验证其应用效果，Liang［34］等人建立了微波加热玄武岩的电磁—热—力学多物理场耦合模型（如图 5a 所示），揭示了微波加热下玄武岩熔融机理，并分析了微波功率对矿石熔融或开裂的影响。 研究发现，微波由内而外的加热特性会首先使矿石内部温度高于表面温度，在矿石中形成温度梯度，诱发热应力从而导致矿石开裂，这有助于加速岩石熔融过程。随着微波功率和加热时间增加，矿石内部温度梯度加剧，加热效率显著提升（如图 5b 所示）。利用微波辅助玄武岩熔融成纤技术，科研人员成功制备出连续纤维材料［35］。研究表明，微波加热技术能够有效提高玄武岩矿石熔融的效率和均匀性，为优化熔融工艺和降低能耗提供了新的思路和方法，这对降低玄武岩纤维的生产成本、促进产业升级和应用具有重要意义。
a 电磁—热—力多物理场耦合模型
b 玄武岩开裂机理示意图
图5 微波加热用于玄武岩矿石熔融［34］
在高温条件下，玄武岩矿石熔融形成均质熔体，随后以连续滴状从铂铑合金漏板的漏嘴流出（如图 6a 所示），拉丝机以恒定速度对熔融液滴进行高速牵伸，通过控制漏板温度和牵伸速度，使熔体在表面张力与牵伸力的共同作用下固化，从而形成具有一定直径的连续纤维［5］。Ma［36］等人认为在玄武岩纤维生产过程中，必须保证漏板温度均匀分布（如图 6b 所示）。由于玄武岩熔体易析晶，漏板温度必须高于析晶温度，从而有效防止晶体在成纤过程中析出。与此同时，漏板温度也不宜过高，以防引发漏板高温蠕变，进而阻碍纤维拉丝过程。
a 成纤过程
b 铂铑合金漏板成纤处温度
图6 玄武岩熔体的成纤过程［36］
玄武岩熔体本质上是一种无序物质，其内能高于相同成分的稳定晶体。根据热力学原理，玄武岩熔体在冷却过程中不可避免地会发生析晶现象，这 一现象不仅会破坏纤维的均匀性，还会导致纤维强度急剧下降。研究表明，玄武岩熔体的结构和化学成分对其析晶行为有着显著影响。Shan［37］等人发现碱土元素（Ca 和 Mg）的质量分数对玄武岩玻璃和熔体析晶行为有重要影响。具体而言，当 Ca 质量分数高时，玻璃化转变温度上升，这主要是由于玻璃网络的有序性增强所致；而 Mg 质量分数的增加则会提升玻璃的形成能力，进而提高玻璃体的网络聚合度。
此外，Xi［25］等人对比了不同地区玄武岩矿石的熔融过程和结晶行为，发现随着矿石中 Fe 质量分数增加，矿物相中尖晶石质量分数上升，从而使体系的完全熔融温度明显提高。在纤维成型过程中，纤维内部析出了CaMg[Si2O6]、NaFe(SiO3)2、Fe3O4、 Fe2O3 晶体（如图 7a 所示），降低了纤维的结构聚合度和力学性能（如图 7b 所示）。因此，控制 Fe 质量分数可以抑制析晶行为，这是提升玄武岩纤维力学性能的重要手段之一。
a 利用不同区域玄武岩制备的纤维透射电镜图
b 纤维力学性能
图 7 玄武岩纤维的微观晶体形貌和宏观力学性能
玄武岩纤维是脆性材料，由于生产过程中纤维内外热分布不均匀、与漏板之间的摩擦，导致纤维表面不可避免地会产生刮痕、微裂纹等缺陷结构［38］。 将浸润剂涂覆到纤维表面，能够有效改善纤维表面的缺陷和应力分布，从而显著提升纤维及其复合材料的力学性能。浸润剂是一种由成膜剂、偶联剂、润滑剂等多种成分组成的液体混合物。其核心作用在于连接玄武岩纤维与树脂基体，在界面层实现应力的有效传递，同时具备集束、粘结、润滑以及防止电荷累积等多重功能。浸润剂根据功能可分为增强型浸润剂和功能型浸润剂两大类。
增强型浸润剂能够显著提高玄武岩纤维的力学性能。陈国荣［39］等人对比研究了环氧树脂型和聚氨酯型浸润剂，发现以双酚A环氧树脂为成膜剂时，玄武岩束纤维的拉伸强度最高为2 400MPa（如图 8a 所示）。Xing［40］等人开发了一种含有主成膜剂和辅成膜剂的浸润剂，可使玄武岩单纤维强度提升30%、束纤维强度提升 235%。通过分析浸润剂中各组分对纤维力学性能的影响规律，发现主成膜剂对纤维力学性能的影响最显著，其次是辅成膜剂和偶联剂。进一步，通过有限元模拟分析了涂覆浸润剂前后玄武岩纤维的受力情况（如图 8b 所示）。 结果表明，涂覆浸润剂前，应力集中发生在纤维表面的裂纹尖端处；涂覆浸润剂后，纤维表面的裂纹被修复，裂纹尖端的应力集中减小，纤维整体受力更加均匀，这种优化的应力分布有效提高了纤维的拉伸强度［41］。
a 束纤维拉伸强度
b 涂覆浸润剂前后纤维的受力模拟
图8 涂覆增强型浸润剂的玄武岩纤维［39，41］
功能型浸润剂能够赋予玄武岩纤维独特的多功能特性。玄武岩纤维本身是绝缘材料，不具备导电性能。在玄武岩纤维表面涂覆由环氧树脂和碳纳米管组成的复合浸润剂（如图9a所示），能够在其表面形成导电网络，使纤维在宏观上由绝缘体转变为导体，电导率超过10S/cm，单纤维拉伸强度提升20%，满足材料在抗静电领域的应用［42］。Sun［43］等人通过调控浸润剂中氧化锌量子点的尺寸，获得了可发出黄色、绿色和蓝色的荧光玄武岩纤维（如图 9b~d 所示），单纤维和束纤维的力学性能分别提高 28%和 125%。荧光玄武岩纤维具有优异的水洗稳定性、防伪特性和对H+的高度敏感性，可用于酸性指示和防伪鉴定，从而拓宽了玄武岩纤维的应用领域。
a 导电纤维 ；b 黄色荧光纤维 ；
c 绿色荧光纤维 ；d 蓝色荧光纤维。
图 9 涂覆功能型浸润剂的玄武岩纤维［42，43］
为便于表述和交流，玄武岩纤维的化学组成通常以氧化物形式表示，主要成分及范围如表5所示［44］。SiO2 在纤维中的结构状态决定了其力学性能，SiO2 质量分数越高，玄武岩玻璃的三维网络结构连接越紧密，力学性能越优异。Al2O3 能降低玄武岩玻璃的析晶倾向，提高玻璃的化学稳定性、热稳定性、强度、硬度、折射率和粘度等。FeO 能提高玻璃粘度，而 Fe2O3 能降低粘度，其质量分数越大，玄武岩玻璃越容易析晶。CaO 在高温时能降低玻璃的粘度，但当温度降低时，易导致纤维难以成形。Na2O 和 K2O 可促使硅氧四面体[SiO4]连接断裂，使玻璃网络结构疏松，导致性能降低。MgO能降低析晶倾向和析晶速度，增加玻璃的高温粘度，提高玻璃的化学稳定性和力学性能。TiO2 能提高玻璃的折射率、密度和电阻率，在一定范围内能降低热膨胀系数，提高耐酸性能［5］。
表5 玄武岩纤维的化学组成［44］ %
玄武岩纤维是一种典型的非晶态玻璃物质。 Zachariasen［45］提出了玻璃结构的无规则网络理论， 认为玻璃中的原子排列是一个缺乏对称性和周期性的三维网络。参与玻璃结构的阳离子可分为网络形成体、修饰体和中间体。在玄武岩纤维中，Si、Al是网络形成体，能够独立形成网络结构的原子。Ca、Mg、Na、K 是网络修饰体，无法独立形成网络结构， 只能游离于玻璃网络之外。Fe、Ti 是网络中间体，既能作为网络形成体增强网络骨架，也能作为网络修饰体使网络骨架变得疏松。通常，网络形成体与氧结合形成多面体（通常为四面体），构成三维网络的基本单元，如[SiO4]4-结构。
拉曼光谱可以表征玄武岩纤维的微观结构（如图 10a 所示）［25］。其中200~600cm-1 的低频区域主要为碱金属和碱土金属氧化物的振动，600~800cm-1的中频区域与Al—O—Al 的弱弯曲振动相关， 800~1200cm-1 的高频区域与Si—O 对称伸缩振动有关［46，47］。高频区域光谱强度较高，对硅酸盐结构具有高灵敏度响应，通常将其分为四个谱峰（如图10b 所示），分别对应850~880cm-1（Q0：[SiO4]4-，表示硅氧四面体中桥氧数为0）、900~920cm-1（Q1： [Si2O7]6-，表示每个硅氧四面体中有1个桥氧）、950~980cm-1（Q2：[Si2O6]4-，表示每个硅氧四面体中有2个桥氧）和1040~1100cm-1（Q3：[Si2O5]2-，表示 每个硅氧四面体中有3个桥氧）［48，49］。Q3 / Q2 比值越大，说明纤维的网络结构聚合度越大，纤维的力学性能越高［50］。因此，利用拉曼光谱可以定性比较玄武岩纤维的力学性能。
a 拉曼光谱
b 分峰拟合
图 10 玄武岩纤维拉曼光谱［25，51］
使用分子动力学模拟，可以计算原子或分子在经典力学框架下的运动轨迹，从而为研究玄武岩玻璃体和纤维的微观结构提供了一 种有效手段［52］。 王连波［53］使用 Beest-Kramer-Santen 势对玄武岩玻璃体系进行分子动力学模拟，发现随着（SiO2+Al2O3）质量分数降低，玄武岩玻璃的网络骨架发生破坏，网络解聚程度增大。郭泽世［54］以适合生产连续玄武岩纤维的化学成分范围为边界条件，利用响应曲面法的混合设计，选择 Buckingham 势分别对 46 组化学组成进行分子动力学模拟（如图 11 所示）。结果表明，随着纤维中各化学组成质量分数变化，桥氧/非桥氧及主要网络形成体的Qn质量分数发生明显变化。非桥氧更容易出现在[SiO4]中，其次为[AlO4]和[FeO4]。网络形成体的质量分数与纤维网络聚合度呈正相关，网络修饰体的质量分数与网络聚合度呈负相关。
图 11 玄武岩纤维原子结构的分子动力学模拟示意图
5.1 力学性能
玄武岩纤维具有优异的拉伸强度和弹性模量，高于E-玻璃纤维［55］。通过整合20余个厂家60余种玄武岩纤维材料的成分、直径、线密度等参数，来自中国科学院新疆理化技术研究所的科研人员建立了玄武岩纤维材料数据库［56］。数据库提供数据输入/ 输出，可将纤维某一特定性能逐一呈现并实现比较和性能评价，为玄武岩纤维材料的选矿、厂址建设及行业空间布局和发展提供参考。在此基础上，Xing［57］等人研究了影响玄武岩纤维力学性能的关键因素，结果表明，当四配位 Al3+ 被引入到[SiO4]4- 四面体网络结构中，每个Al3+ 仅提供3/2 个O2-。随着 Al2O3 质量分数增加，Al3+ 会夺取与其他金属阳离子连接的非桥氧，网络结构的桥氧数量增加，纤维网络结构连接越紧密，从而提升玄武岩纤维的拉伸强度（如图 12a 所示）。玄武岩纤维中 Fe 元素主要以Fe2+和Fe3+形式存在，当Fe3+/Σ(Fe2++Fe3+) 比值增加时（即高价态的铁元素含量更高），由于含 Fe2O3 的铁尖晶石相与其他硅酸盐结构相比具有更低的活化能，使纤维在拉丝过程中容易析出晶体，会增加纤维表面的缺陷，导致纤维强度显著降低（如图 12b所示）。
b Fe3+/Σf e
图12 玄武岩纤维中化学组成对纤维力学性能的影响［57］
5.2 热稳定性
玄武岩纤维的使用温度范围为-269~700 ℃ , 相较于玻璃纤维（ -60~450 ℃ ), 其表现出更为优异的热稳定性［58］。Xing［59］等人研究了不同温度下玄武岩纤维的结构与力学性能。结果表明经过热处理后，纤维表面形成了晶体（如图 13a 所示）， 且纤维的磁性由顺磁性转变为铁磁性，其拉伸强度也随之显著降低。在不同温度区间，纤维结构发生显著变化；当温度在 100~400 ℃时，纤维表面的浸润剂发生分解，导致纤维表面暴露出更多的缺陷结构；在 500~600 ℃时，纤维内部的过量焓和结构各向异性同时发生松弛，导致纤维中的非晶态基体与主体结构相分离；而当温度升至 700~1 000 ℃时，纤维表面开始析出尖晶石纳米颗粒。在初始相分离和 Fe2+氧化协同作用下，这些尖晶石纳米颗粒作为成核点，诱发 Ca、Mg 和 Fe 等元素在纤维表面富集并形成辉石，因此会显著降低纤维的强度。此外， 苗世坦［60］等人也获得了相似的研究结果。他们发现，随着温度的升高，纤维内部的玻璃网络结构逐渐发生解聚，纤维表面出现裂纹和缺陷，同时析出辉石、磁铁矿和赤铁矿晶体，最终导致纤维的强度由 1 800MPa 降至 276 MPa（如图 13b 所示）。
a 纤维结构
b 纤维拉伸强度
图13 高温处理对玄武岩纤维结构和拉伸强度的影响［59，60］
5.3 耐腐蚀性能
玄武岩纤维具有较致密的硅氧网络结构，表现出优异的耐腐蚀性能，在酸、碱、盐环境中不易发生水解反应。Li［61-63］等人研究了玄武岩纤维在不同化学品中的腐蚀行为。在酸环境中（HCl、H2SO4 和 HNO3），随着酸浓度的增加，玄武岩纤维表面出现轴向裂纹、不规则裂纹和螺旋裂纹（如图 14a~c所示）。轴向缺陷来源于纤维制造过程中纤维和漏板之间的摩擦，不规则裂纹主要由于纤维中的阳离子溶出速度不同而导致，而螺旋裂纹是因为H+交换诱导裂纹以最大化应力释放的形式扩展。 特别是在 H2SO4 溶液中，由于不溶性 CaSO4 的形成加速了纤维的腐蚀，导致纤维强度迅速降低至原有强度 40%左右。在碱环境中[NaOH、KOH 和 Ca(OH)2]， 碱的类型会影响碱腐蚀纤维的机理。通常 OH-破坏纤维网络 Si—O—Si 结构，随着金属离子的溶出，纤维表面形貌由光滑变为粗糙，表面有沉积颗粒，随后形成板状结构的腐蚀层（如图 14d~f所示）。比较有意思的是当纤维浸泡在 KOH 溶液中时，纤维中的 Na+ 和溶液中的 K+ 之间发生离子交换，纤维表面的压应力克服了由于缺陷引起的强度下降，使纤维强度提高 30%以上。在盐环境中，随着浸泡温度的增加，纤维的强度先增加后降低，初步认为是一个动态的竞争过程，包括离子交换、离子浸出和纤维表面不溶性沉淀导致的纤维强度变化。在此基础上，通过将聚倍半硅氧烷纳米片引入浸润剂，能够迫使盐环境中的金属离子以更加曲折的路径渗透到纤维表面，从而减缓外界离子对纤维的腐蚀。
a 酸性介质
b 碱性介质
图 14 玄武岩纤维在酸、碱性介质中的腐蚀机理示意图［61，62］
5.4 电磁性能
玄武岩纤维具有较高的比体积电阻（1×1012 Ω·m），且 1MHz 时介电常数为 2.2~2.7，表现出良好的电绝缘性和介电性能［6］。Chang［64］等人以玄武岩纤维织物为基材，利用化学气相沉积法在其表面直接生长碳纳米管，并将其作为增强相与高分子基体复合，制备了高分子纳米复合材料，进而对复合材料的电磁屏蔽性能进行了评价。研究表明，在高温条件下，玄武岩纤维表面会析出粒径为 10~100 nm 的纳米颗粒，这些颗粒可作为催化剂，实现碳纳米管的原位可控生长（如图 15a 所示）。在复合体系中，纳米—微米多层结构显著提高了电磁波在材料内部的多重反射概率，同时协同电荷传输、偶极子极化、电容双电层结构等机制对电磁波进行吸收，使复合材料展现出优异的电磁屏蔽性能 （如图 15b 所示）。Si［65］等人通过引入聚多巴胺来提高玄武岩纤维的化学活性，并采用浸涂工艺制备了玄武岩纤维-Fe3O4/碳纳米管结构。在该复合材料中，磁性 Fe3O4 空心球和碳纳米管之间的界面极化、传导损耗、磁共振损耗，以及纤维内部的多次反射/散射等共同作用，赋予了复合材料良好的电磁屏蔽性能。
5.5 光催化性能
高钛玄武岩纤维含有 TiO2，在光照下能产生光生电子—空穴对，具有光催化性能。Xi［35］等人使用微波熔融拉丝技术成功制备出高钛玄武岩连续纤维，由于TiO2 与 Fe 纳米颗粒的协同作用，表现出优异的光催化活性。在高温纺丝过程中，Ti4+和 Fe3+ 的价态转变导致纤维基质中形成锐钛矿型 TiO2 晶体和分散的 Fe 纳米颗粒，这种特殊的微观结构为光生载流子的分离提供了有效途径。在太阳光照射下，纤维中的 TiO2/Fe 异质结可产生大量羟基自由基和超氧自由基，对亚甲基蓝的降解率达85%（如图15c 所示）。作为结构材料，纤维的拉伸强度达645MPa，可满足复合材料增强相的要求。作为功能材料，其光催化性能可用于密闭环境的污染物净化。
5.6 隔热性能
玄武岩纤维的热传导系数为0.031~0.038W/（m·K），比 热容为2913.31J/（kg ·K），具有良好的隔热性能，可做成毡制品，用于保温或防火等领域［66-68］。 杜高明［69］等人以玄武岩纤维/玻璃纤维复合材料为基体，制备了气凝胶复合材料。相比于玻璃纤维气凝胶复合材料（GF/AC），玄武岩纤维—玻璃纤维气凝胶复合材料（BF-GF/AC）表现出良好的结构稳定性，实现了纤维与气凝胶的协同隔热。如图15d 所示，900 ℃热处理后，复合材料的热导率仅为 0.026W/（m·K），并且具有一定的力学性能 （0.431MPa），在建筑防火领域有广泛的应用前景。
5.7 吸音性能
玄武岩纤维板的吸音系数为 0.90~0.99，高于E-玻璃纤维，具有良好的吸音性能［6］。刘文龙［70］ 等人分别将掺玄武岩纤维毛毡和普通棉纺纤维毛毡作为实验组和对照组，研究了两种毛毡对变频压缩机的降噪作用。结果表明，掺玄武岩纤维毛毡与普通棉纺纤维毛毡在高频段（85 Hz）对变频压缩机的隔声效果要好于低频段（45 Hz）（如图 15e 所示）。 当运行频率相同时，掺玄武岩纤维毛毡比普通棉纺纤维毛毡具有出色的降噪效果。尤其是在室外干球温度较低时，掺玄武岩纤维毛毡的降噪优势更加明显。
a 碳纳米管在纤维表面原为生长 ；b 电磁屏蔽机理示意图 ；c 光催化机理示意图 ；
d 不同温度下气凝胶复合材料的热导率；e 不同频段下噪声随室外干球温度的变化。
图 15 玄武岩纤维的电磁、光催化、隔热和吸音性能［35，65，69，70］
6.1 国防军工领域
玄武岩纤维因其优异的耐高温性、耐磨性和吸音性能，在国防军工及航空航天领域具有重要应用价值。以玄武岩纤维为增强相制备的复合材料，可显著提升关键装备的性能。在国防领域，该类复合材料被用于坦克等装甲车辆防护、隐形战机隔热层、重型装甲车尾气消音管，以及军用机场跑道和消磁码头等关键部位［6，71，72］。在航空航天领域，玄武岩纤维复合材料凭借其出色的抗热冲击性和高强度特性，被广泛应用于空间站防护结构［73］。张高望［74］研究了冷热循环处理后玄武岩纤维布填充式防护结构的撞击实验。研究表明，随着冷热循环次数的增加，防护结构的性能呈现下降趋势。在常温并且撞击速度相近时，未循环处理的防护结构对空间碎片二次撞击的抵御能力最强（如图 16a 所示）。事实上，早在20世纪70年代，美国就已将玄武岩纤维用于制造“阿波罗”号宇宙飞船的结构材料［58］，充分验证了其在航空航天领域的优越性能。
6.2 建筑交通领域
玄武岩纤维具有轻质（密度为 2.6~2.8 g/cm3）、与水泥良好的相容性等优点，可用于增强混凝土结构的耐久性。玄武岩纤维通过有效减少混凝土内部裂纹的扩展， 改善混凝土的抗冻融性能、抗氯离子侵蚀能力及耐高温性能［75］。吴智深［76］等人为解决传统钢筋混凝土结构耐久性差的问题，开发了以玄武岩纤维增强复合材料（BFRP）为型材的混凝土组合桥面板，通过在 BFRP 上施加预应力， 使桥面板反拱，提高了组合桥面板的整体刚度（如图 16b 所示）。在汽车轻量化方面，玄武岩纤维已在汽车软质仪表板骨架、前端支架、车门、车身、弹簧、摩擦增强材料等方面实际应用［77］。
a 防护结构的第二次撞击损伤
b BFRP型材—混凝土组合桥面板结构示意图
图 16 玄武岩纤维在国防军工和建筑交通领域应用［74，76］
6.3 石油化工领域
玄武岩纤维具有耐高温、耐腐蚀性能，可用于油水分离、烟气过滤、化工管道等领域［67］。在油水分离领域，Zhang［78］等人使用玄武岩纤维织物和聚乙烯醇原料，制备了亲水型复合膜材料。当乳液与复合膜接触时，玄武岩纤维织物结构中大量微小通道提供了有效的毛细管力，促进体系中的水以置换方式连续通过膜材料表面。随着乳液中的水不断减少，油滴浓度不断增加，油滴之间的碰撞机率提高，小油滴聚集形成大油滴，破坏了乳液体系的稳定性，从而实现油水分离（如图 17a 所示）。在工业烟气领域，Atalie［79］等人将天然玄武岩纤维与纳米纤维素纤维复合，制备了环保型高效 PM0.3 空气过滤材料（如图 17b 所示），PM0.3 的初始过滤效率高于 99.99%，优于部分商业化滤材。该滤材 180 ℃ 处理后，过滤效率仍保持在 92%以上，具有良好的热稳定性和生物可降解性，可为开发环保功能型滤料提供新思路。
a 基于聚集诱导破乳机理分离乳化油
b 环保型复合纤维滤材的制备示意图
图 17 玄武岩纤维在石油化工领域的应用［78，79］
6.4 海洋工程领域
玄武岩纤维具有优异耐腐蚀性能，玄武岩纤维复合筋可作为钢筋的替代材料，用于海底管道、海洋平台建设及海水淡化等领域。Song［80］等人利用多壁碳纳米管、海藻酸钠水凝胶和玄武岩纤维织物，制备了一种低成本、环保的玄武岩纤维基光热材料，具有较好的润湿性、蒸发性能和净化能力。
如图 18a 所示，在 1kW/m2 太阳光强度下，模拟海水的蒸发速率达1.48 kg/（m2 ·h），能量利用效率高达 91.6%。而在 2kW/m2 太阳光强度下，模拟海水的蒸发速率能达到 2.5 kg/（m2·h），可以作为太阳能海水淡化的理想候选材料。
a 蒸发器的蒸发速率
b BFRP、CFRP和GFRP的疲劳行为
图18 玄武岩纤维在海洋工程和新能源领域的应用［80，81］
6.5 新能源领域
玄武岩纤维可用于风机叶片、光伏支架、储氢容器等新能源领域。在风机叶片领域，赵才其团队［81，82］研究了玄武岩纤维海上风机叶片的耐疲劳性能，发现玄武岩纤维增强复合材料（BFRP）的弹性模量和抗疲劳性能高于玻璃纤维增强复合材料（GFRP），但低于碳纤维增强复合材料（CFRP）。 在高应力下，BFRP 的抗疲劳性能接近 CFRP（如图 18b 所示）。在光伏支架领域，张伟［83］等人发现相同荷载下，BFRP光伏支架的重量仅为钢材支架的 58.97%，强度约是普通钢材的 4 倍，且弹性模量较高。在储氢容器领域，孙文涛［84］研究发现低温下玄武岩纤维复合材料的拉伸强度为 1 820MPa， 可以作为低温高压 Ⅲ 型瓶的增强材料，且低温条件下 BFRP 与铝合金内衬的线膨胀匹配度高，表现出良好的耐疲劳性能。
玄武岩纤维作为一种环境友好型高性能材料，未来发展应聚焦多个维度。在技术自主化方面，需研发多品种差异化浸润剂，以满足多元应用场景的需求，同时需着力攻克生产工艺中诸如拉丝漏板、 耐火材料等关键技术装备难题。在应用方面，应精准定位玄武岩纤维及其复合材料的应用场景，特别是在氢能储运等新兴产业领域，积极探索其应用潜力。在产业集约化方面，需加强上下游企业之间的合作与交流，打通研发、生产、应用等关键环节，充分发挥玄武岩纤维的综合优势，提升整个产业链的竞争力。在生产智能化方面，可以引入人工智能技术，构建玄武岩纤维生产和应用大模型，实现全流程的智能化监控、预测与优化，提高生产效率和产品质量的稳定性，从而为玄武岩纤维产业的可持续发展注入新的动力。
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