1 横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司 2 富阳特种纤维应用研究所
摘要：对连续玄武岩纤维及其优异性能作了简介，重点介绍其在军工及民用领域的重要应用，以及在我国发展的展望，提出了连续玄武岩纤维“发源在苏联、发展在中国”以及“连续玄武岩纤维将改变世界先进材料的格局”等新颖观点。
前言
连续玄武岩纤维（Continuous Basalt Fibre简称CBF）是前苏联经过了30多年的研究开发而发明的高科技纤维。由于它性能优异、性价比好，应用领域广泛，极具发展前景，尤其是最近几年，中国也有了CBF的批量生产。因此，我们现在开展对CBF的研讨活动是非常有现实意义的。
CBF是以天然的火山喷出岩作为原料，将其破碎后加入熔窑中，在1450～1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板制成的连续纤维。
它与碳纤维、芳纶、超高相对分子质量聚乙烯纤维（UHMWPE）等其它高科技纤维相比，具有很多独特的优点，如力学性能佳，耐高温性{TodayHot}能好，可在-269～700℃范围内连续工作，耐酸耐碱，抗紫外线性能强，吸湿性低，有更好的耐环境性能，此外，还有绝缘性能好，高温过滤性佳、抗辐射、良好的透波性能等优点。以CBF为增强体可制成各种性能优异的复合材料，可广泛应用于消防、环保、航空航天、军工、车船制造、工程塑料、建筑等军工和民用领域，故CBF被誉为21世纪的新材料。
近几年来，由于CBF良好的综合性能和性价比，越来越被材料界和用户看好。
1 CBF的优异性能
众所周知，在高技术纤维和其它纤维中没有一种纤维的性能或功能是可以“包打天下”的，每一种纤维都有它独特的性能和应用的市场。而CBF具有综合性能好、性价比好的产品特点。这是其它纤维所难以比拟的，堪称是21世纪无污染的“绿色工业材料”。
1.1 突出的耐温性能
CBF的使用温度范围为：-269～700℃（软化点为960℃），而玻璃纤维为-60～450℃。CBF在400℃下工作时，其断后强度能够保持85%；在600℃下工作时，其断后强度仍能够保持80%的原始强度；如果CBF预先在780～820℃下进行处理，还能在860℃下工作而不会出现收缩，而即使耐温性优良的矿棉此时也只能保持50%～60%的强度，玻璃棉则完全破坏。碳纤维的抗氧化性较差，在300℃有CO和CO2产生；间位芳纶最高使用温度也只有250℃。
1.2 突出的抗拉强度
CBF的抗拉强度为3800～4800Mpa，比大丝束碳纤维、芳纶、PBI纤维、钢纤维、硼纤维、氧化铝纤维都要高，与S玻璃纤维相当。CBF和其它纤维的主要性能比较详见表1。
表1 CBF主要性能及和其它纤维的对比
纤维类型 密度/（g·㎝-3） 抗拉强度/MPa 弹性模量/GPa {HotTag}断后伸长率/% 最高工作温度/℃
CBF 2.80 3000～4840 79.3～93.1 3.1 650
E-玻璃纤维 2.54 3100～3800 72.5～75.5 4.7 380
S-玻璃纤维 2.54～2.57 4020～4650 83～86 5.3 300
碳纤维 1.78 3500～6000 230～600 1.5～2.0 500
芳纶 1.45 2900～3400 70～140 2.8～3.6 250
1.3 与硅酸盐的天然相容性
以同属硅酸盐的火山喷出岩为原料制成的CBF，耐酸碱性强。试验发现，CBF在饱和Ca(OH)2溶液以及在水泥等碱性介质中耐久性好，能保持高度的稳定性，可代替钢筋用作混凝土建筑结构的增强材料，制作桥梁等大型建筑的结构件。利用CBF较高的抗拉强度和抗剪切强度这一特性，加上CBF具有天然的与水泥、混凝土的亲和力和耐碱性，在建筑增强领域的应用已显示出它独特的优势和发展潜力。
1.4 突出的化学稳定性
CBF含有的K2O、MgO和TiO2等成分对提高纤维耐化学腐蚀及防水性能起到重要的作用。CBF与E玻璃纤维在3h沸煮后纤维质量分数损失的对比情况：在水中CBF损失0.002，而E玻璃纤维则损失0.007；2N NaOH的溶液里两者分别为0.0275和0.06；在2N HCI中CBF仅损失0.022，而E玻璃纤维则损失0.389。CBF的耐酸性超过了一般用作耐酸玻璃增强材料的ECR玻璃纤维。
1.5 显著的抗热振稳定性
CBF在500℃下的抗热振稳定性仍然不变，原始质量分数损失不到0.02；900℃时也仅损失0.03。
1.6 良好的介电性能
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；玄武岩中含有质量分数不到0.2的导电氧化物。导电氧化物纤维过去并没有用于制备绝缘材料，但经过用专门浸润剂处理的CBF，其介电损失角正切比玻璃纤维低50%，可用于制造新型耐热介电材料。
1.7 优良的透波性能和一定的吸波性能
我们曾用CBF增强树脂制成180×180㎜标准板，厚度为4㎜，树脂体系采用HD03，在8～18GHZ下进行了测试，结果发现该材料未加任何其它吸波隐身材料而具有一定的吸波性能。据分析CBF中具有0.2质量分数的金属氧化物，可能是氧化铁、氧化钛成分，使其具有了一定的吸波性能。如果进一步调整成分、树脂体系内再加上吸收剂或吸波涂层，可能会有更好的吸波性能。
2 CBF在军工及民用领域的主要应用
美国德州的CBF工业联盟指出：“CBF是碳纤维的低价替代品，具有一系列优异性能，尤为重要的是，由于它取自天然矿石而无任何添加剂，是目前为止1的无环境污染的不致癌的绿色健康玻璃质纤维产品。美国作为世界保护环境的倡导者，将全力发展无污染的绿色工业材料，所以CBF在复合材料的增强材料领域的应用，已引起广泛的重视并将快速发展”。
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多年的努力，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多年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多年的历史了。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20m2的非织造材料（折合质量15～20㎏）。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
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：
（1）在混凝土增强领域的应用。从强度方面看CBF占有1的优势，它的抗拉强度都高于碳纤、玻纤、芳纶等已有的增强材料，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。
（2）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。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。
（3）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。①CBF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；也可用于制造火炮材料。②CBF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。④用CBF缠绕环氧树脂的管材（直径ø5～2000㎜，内部承压0～40Mpa）可用于输送石油、无然气、冷热水、化学腐蚀液体、散料、电缆管道、低压和高压钢瓶等。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。
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。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
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。
（1）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1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。
（2）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。
（3）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。
（4）从本国的市场看，中国本身就具有新材料应用的庞大市场。
（5）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。
（6）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。
（7）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。
