玄武岩纤维原料特征的统计及分析研究专题综述

引言

在当今高科技材料领域，玄武岩纤维以其卓越的性能和广泛的适用性，正逐渐成为研究和应用的热点。这种高性能纤维是由天然玄武岩或成分相近的岩石经高温熔融后拉制而成，具有优良的力学性能、热稳定性、化学稳定性、电绝缘性、隔音性、抗辐射性和环保无害性。正是基于这些特性，玄武岩纤维被列为我国重点扶持发展的四大高技术纤维之一，并在建筑、交通、环保、航空航天等多个领域展现出巨大的应用潜力。

本文将对玄武岩纤维原料特征的统计及分析研究进行深入的综述，旨在探讨原料特征对玄武岩纤维性能的影响，为玄武岩纤维的原料选择和产业发展提供理论支持和实践指导。

玄武岩纤维的原料特征主要包括岩石学特征、参数指标特征和其他特征。

岩石学特征

玄武岩纤维的原料主要为基性岩以及SiO2含量为53%～57%的中性岩，最佳岩石类型为玄武岩或安山玄武岩。这些岩石通常具有特定的结构，如间隐结构、玻基斑状结构或玻璃质结构，这些结构有利于纤维的制备。此外，原料岩石的构造也对纤维制备有一定影响，尤其是气孔或杏仁构造中可能含有的不利矿物会影响纤维的制备过程。

在矿物组成方面，原料岩石中的矿物种类和含量对玄武岩纤维的性能有重要影响。例如，蛇纹石、沸石等含水矿物在熔融过程中会产生气泡，影响纤维制备的连续性和纤维的粗细均匀度，但也会促进原料的充分熔融。而镁橄榄石、磁铁矿等高熔点矿物则会使原料在熔融阶段难以完全熔化，导致熔体不均匀并容易析晶，从而影响纤维的性能。

参数指标特征

玄武岩纤维的原料参数指标主要包括化学成分、酸度系数、黏度系数、硅铝氧化物与其他氧化物比值以及三元氧化物组成的物质的量分数等。

化学成分：原料岩石的化学成分对玄武岩纤维的性能有直接影响。一般来说，SiO2、Al2O3、TiO2等氧化物的含量越高，纤维的强度和耐热性越好。而Fe2O3、CaO、MgO等氧化物的含量则会影响纤维的化学稳定性和耐腐蚀性。

酸度系数：酸度系数是反映原料岩石酸碱性质的重要指标。对于玄武岩纤维的原料来说，酸度系数在4.0～5.5之间时，纤维的性能最佳。

黏度系数：黏度系数反映了原料熔体的流动性。在玄武岩纤维制备过程中，黏度系数在2.0～3.0之间时，有利于纤维的拉制。

酸度系数高的矿石拉制出的纤维具有更高的化学稳定性和更长的使用寿命,但同时熔体的黏度也会变高,为拉制纤维带来困难。 

算方法如式(1)所示:

当原料属于辉长岩—玄武岩系列时,公式可修正为式(2)(Fomichev et al. , 2010):

此外,根据各种氧化物在熔体中所起的作用不同,公式可进一步修正为式(3)(刘昶江等, 2020):

对于原料矿石酸度系数

由图可发现,可拉丝岩石及纤维样品在图像中的分布较集中,且可拉丝岩石大多数集中在n(RO)=20%~30%,n(RO2)=57%~70%,n(R2O3)=10%~16%,玄武岩纤维大多集中在n(RO)=19%~34%,n(RO2)=56%~70%,n(R2O3 )=10%~18% (其中RO、RO2、R2O3的物质的量分数占比和为1)。

以可拉丝岩石为标准并结合玄武岩纤维认为,氧化物组成的物质的量分数占比最佳为:n(RO)=20%~30%,n(RO2)=57%~70%,n(R2O3)=10%~16%。

硅铝氧化物与其他氧化物比值：硅铝氧化物与其他氧化物的比值对玄武岩纤维的性能也有重要影响。一般来说，该比值在1.5～3.0之间时，纤维的性能最佳。

三元氧化物组成的物质的量分数：三元氧化物（RO、RO2、R2O3）的物质的量分数对玄武岩纤维的性能也有显著影响。其中，RO（FeO、CaO、MgO、Na2O、K2O、MnO）的物质的量分数在20%～30%之间，RO2（SiO2、TiO2、P2O5）的物质的量分数在57%～70%之间，R2O3（Al2O3、Fe2O3）的物质的量分数在10%～16%之间时，纤维的性能最佳。

其他特征

除了上述特征外，原料岩石的粒径、孔隙水含量等因素也会对玄武岩纤维的制备和性能产生影响。在实际生产中，需要注意对原料最大颗粒、超细粉以及不同粒径配比的控制，并避免原料中孔隙水的影响。

去除不利因素在原料选择和加工过程中，应尽可能去除对纤维制备和性能产生不利影响的不利因素，如高熔点矿物、孔隙水等。通过合理的预处理和加工工艺，可以提高原料的利用率和纤维的性能。

玄武岩纤维作为一种高性能材料，其性能受到原料特征的多方面影响。原料的化学成分、结构和矿物组成等特征对玄武岩纤维的强度、韧性和耐热性具有决定性作用。例如，高SiO2含量的原料有助于制备高强度纤维，而具有间隐结构或玻璃质结构的原料则有利于制备韧性较好的纤维。此外，原料的化学成分和矿物组成也会影响纤维的化学稳定性，高含量SiO2和Al2O3的原料有助于制备化学稳定性较好的纤维，而高含量Fe2O3和CaO的原料则可能降低纤维的化学稳定性。在原料选择和加工过程中，去除高熔点矿物和孔隙水等不利因素，通过合理的预处理和加工工艺，可以提高原料的利用率和纤维的性能。

尽管玄武岩纤维产业正迎来前所未有的发展机遇，但同时也面临着挑战。原料资源的有限性是制约产业发展的关键因素之一，因为玄武岩纤维的原料主要为天然玄武岩或成分相近的岩石。此外，生产成本高也是产业面临的问题，这主要受到原料价格、生产工艺和设备投入等因素的影响。技术创新不足导致产品种类和性能相对单一，难以满足市场对高性能、多功能材料的需求。最后，玄武岩纤维的市场认知度较低，这主要是由于宣传力度不够和市场推广不力等原因造成的。因此，如何降低生产成本、提高技术创新能力以及提高市场认知度，是玄武岩纤维产业需要解决的重要问题。

结语

综上所述，玄武岩纤维作为一种高性能纤维材料，在多个领域展现出广泛的应用前景。然而，原料特征对玄武岩纤维性能的影响是复杂而多变的。因此，在玄武岩纤维的生产和应用过程中，需要充分考虑原料特征的影响，选择合适的原料并进行优化处理。同时，针对当前存在的问题和挑战，加强原料研发、优化生产工艺、推动技术创新和加强市场推广等工作也是必不可少的。相信在不久的将来，玄武岩纤维产业将迎来更加广阔的发展空间和更加美好的未来。

信息来源：玄武岩纤维原料特征的统计及分析研究-李珎