科普 | 用玄武岩“织”出的国旗有多酷？比玻璃纤维增强聚合物强在哪？
6月3日，月表取样完成后，嫦娥六号着陆器携带的一面由玄武岩纤维制成的 " 石头版 " 五星红旗在月球背面成功展开，这是中国首次在月球背面独立动态展示国旗。
这面五星红旗，是如何在月球极端环境下依旧熠熠生辉的呢？让我们一同揭开它的神秘面纱。
✨ 秘密武器：玄武岩熔融拉丝技术
这面国旗的材质并非寻常布料，而是采用了一种创新科技——玄武岩熔融拉丝技术。这种技术源自于河北蔚县的神奇玄武岩，经过科研团队长达一年的努力研发，将其转化为坚韧无比的纤维，再精心编织成旗。
🌟 特点解析：耐极寒、抗酷热，无惧腐蚀
武汉纺织大学月面国旗团队遵从 "原位利用" 的原则，决定采用与月壤化学成分相近的玄武岩作为嫦娥六号国旗的核心材料。玄武岩纤维具有非常优异的隔热抗辐射性能，能够抵御月表恶劣环境。但玄武岩纤维属于无机纤维，表面光滑、脆性易碎、模量高，难以纺制超细丝、纺纱、织造，以及构筑高牢度的颜色，这些都是团队要攻克的难题，可以说这是一面技术含量很高的‘石头版’织物国旗。
🌍 意义深远：月球基地的未来建材
科研人员透露，月球表面富含玄武岩，未来建造月球基地时，这种材料有望成为主要的建筑材料之一。这意味着，这面五星红旗不仅承载着国家的荣耀，更预示着人类探索太空的新篇章。
什么是玄武岩纤维
玄武岩纤维(BF)是以天然玄武岩石为原料，在1450~1500℃的高温下熔融，经过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的一种连续纤维。它通常呈褐色，并具有金属光泽。
作为我国四大重点发展的纤维材料之一，BF具有优异的力学性能、耐酸碱腐蚀性能、耐高温性能和绝缘性能。此外，它来源广泛、成本低廉、环保可降解，被誉为“21世纪的绿色工业新材料”。自从1923年被美国科学家发现以来，BF凭借其卓越的性能广泛应用于交通、建筑、化工、电子、国防航空等领域，具有广阔的应用前景。与玻璃纤维(GF)相比，BF具有更好的力学性能，包括较高的结构强度和模量，同时无毒无害、环保性好。较之芳纶纤维，BF具有良好的可加工性和抗紫外分解能力。因此，玄武岩纤维在基础设施和民用材料中作为碳纤维(CF)和GF的替代品得到广泛关注。
可以预见的是，BF必将在国民经济发展中扮演着不可或缺的角色，因此加大BF的研究力度，促进BF的多样化发展和多领域应用不仅满足了国家对“高性能纤维及其复合材料”的重大需求，同时也对提升国家相关产业的国际竞争力具有重要意义。
玄武岩纤维的化学组分
BF主要的主要成分包括二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)和氧化铁(FexOy)等。其中SiO2的含量约为45%~53%,二氧化钛(TiO2)约为1% ~3%，Al2O3约为12%~18%，Fe2O3/FeO(Fe2O3+FeO含量约9%~15%)，这三种主要成分的质量占比总和超过75%。氧化镁(MgO)约为5%~10%、氧化钙(CaO)约为6%~10%、氧化钾(K2O)、氧化钠(Na2O)(K2O+Na2O含量约3%~6%)，此外五氧化二磷(P2O5)等氧化物和其他微量元素或化合物也可能出现。
目前，用于制造BF的玄武岩要求其SiO2含量不低于46%，在一定范围内SiO2含量的增加有利于改善纺丝工艺，提高机械纤维的性能。同样，Al2O3含量约为18%，这赋予了玄武岩熔体较高的黏度。制造BF的玄武岩要求FeO和Fe2O3含量达到9%~14%，这是因为铁含量对BF的热性能、结晶性能、力学和光学特性均有一定影响。为了提高BF的防水性能和耐腐蚀性能，成分中还需要适量的K2O、MgO和TiO2。
玄武岩纤维的制作工艺
如果你了解玄武岩纤维的制作工艺，你一定会被它的“硬核”所震惊：
用火山喷发形成的天然玄武岩石为原料，将其破碎后投入熔窑中，加热至1450~1500℃熔融状态，通过铂铑合金拉丝漏板快速拉制，玄武岩纤维就是这样被制作出来的。
简而言之，制作玄武岩纤维的工艺，就是把坚硬的火山玄武岩石在高温下“拉成丝”。
现有工艺生产出的玄武岩纤维直径可达6~13μm，比头发丝还细。
其生产工艺如下图。
熔融状态的岩浆
拉丝
作为一种非晶态无机硅酸盐物质，玄武岩纤维的生产属期短、工艺简洁，没有工业废水、废气产生，而且附加值高，被誉为21世纪“绿色新材料”。又因为其颜色为金褐色，所以生产玄武岩纤维的过程，被人们称之为“点石成金”。
玄武岩纤维的应用
3.1 玄武岩纤维的力学增强
纤维增强聚合物(FRP)复合材料是复合材料科学中的一个重要分支，已经广泛应用于土木工程、交通运输、航空航天等多个领域。在天然纤维中，BF具有环保和无害特性，因此可以与可降解聚合物相结合，制备出完全环保的复合材料。这种特性使得BF具有替代GF用于复合材料方面的应用潜力。
研究结果表明，随着BF含量的增加，BF填充到PP复合材料的拉伸强度和冲击强度都表现出先增大的趋势，当体积含量为40%时复合材料的拉伸强度达到72MPa,冲击强度达8.5kJ/m2。
3.2 玄武岩纤维的表面改性
就纤维增强复合材料而言，两相界面的相容性是影响体系力学强度的关键因素。然而，BF具有的光滑表面和化学惰性，导致其与基质材料之间的界面黏附较差，削弱了复合材料的综合性能。目前，主要的解决方法是通过对纤维进行直接改性来提高两相间的界面强度。常用的方法包括纳米改性和偶联剂改性，此外还有酸碱化学刻蚀法和等离子体冲击刻蚀法等。这些方法通过化学或物理手段破坏BF的光滑表面，使其他物质能够与BF有更大的接触面积或更好的结合，从而提高复合材料的界面相容性。
3.3玄武岩纤维的功能应用
通过采取适当的方法，可以赋予BF/树脂复合材料出色的屏蔽性能、吸波性能、催化性能、导电性、水处理、热电性和导热性等特性，从而大大拓宽了BF的应用场景，提升了BF的应用价值。
在电磁屏蔽领域，基于BF的功能化复合材料已经取得了显著成果。一些学者将MXene溶液喷涂到BF织物上，成功制备了具有出色电磁屏蔽性能的BF织物基橡胶复合材料（图1a)。综上所述，通过不同的方法和技术改性BF并与其他材料组合形成复合材料，可以实现优异的电磁屏蔽性能。
a—玄武岩织物表面负载MXene涂层用于屏蔽材料
b—玄武岩纤维表面负载CB@Ni涂层提高材料吸波性能
图1 玄武岩纤维及其制品在电磁波屏蔽和吸收领域的应用
应用案例：
隐形
玄武岩纤维具有高强、耐高低温等特性，十分符合飞机、导弹表面材料要求，同时，其具有吸波透磁的特点，可以实现雷达隐形。所以玄武岩碳纤维可以部分替代碳纤维用于隐形飞机和导弹。
防弹
当前防弹衣通常选用超高分子量聚乙烯纤维，其耐热性能低，在弹头的高温熔灼下强度和模量会降低，影响防弹效果。与之相比，玄武岩纤维耐高温性强，便不存在此问题。
航空航天
玄武岩纤维热传导系数低，阻燃性能好，工作温度范围为-269℃~700℃，既耐高温又耐低温。满足航空航天领域对材料的苛刻要求，俄罗斯的航空航天材料大部分就是用这种材料做的。
道路工程领域的应用
玄武岩纤维具有抗拉强度高、力学性能好、耐高温、防紫外线、耐酸耐碱耐盐、抗老化等优点。相比其他纤维来说，其综合性能较好，也符合道路工程领域对材料的要求。因此，近年来已有越来越多的玄武岩纤维产品应用于道路工程中。
隔热、耐温、防火领域
利用玄武岩纤维具有耐高温的特性，可织成防火布，用于一些消防领域。也可纺织成高温过滤袋，用于高温过滤、除尘。另外也可以做成针 刺毡，用于一些保温领域。
结论与展望
作为“21世纪的绿色工业新材料”，BF受到了现代工程领域的广泛青睐，并逐渐成为世界高技术纤维行业中可持续发展的有竞争力的新材料。传统研究致力于通过BF表面改性提高复合材料机械强度，为了获得更好的界面改性效果，学者们越来越多地采用了复合改性方法来改善BF的界面行为。在此基础上，BF复合材料的多功能性也引起了人们的广泛关注。表面改性不仅可以改善纤维与基体间的界面行为，一些特殊的表面改性方法还可以赋予其功能性，拓宽BF在电磁波防护、水处理和催化等领域的应用。着眼于BF的发展现状，提出以下几个展望：
1)原料的不均一性和不稳定性导致玄武岩纤维变异系数偏大，纤维性能离散性大，故而要从源头开始溯源。
2)BF应用领域较窄，随着风力发电、汽车、高速列车、飞机、船艇、土木建筑等产业的快速可持续发展，对高性能纤维复合材料的需求日渐强劲。
3)通过组分调控、浸润剂复配等实现BF和基体间的层间复合增韧、偶联提质等。
4)进一步改进当前的表面处理方法，或者引入新的加工工艺等提高两相界面间的浸润性。
除此之外，绿色能源，绿色发展是国家发展的重要战略目标，目前，研究者们虽然对玄武岩纤维在新能源领域的应用有了一些初步的探索和研究，但在能源危机日趋严峻的社会背景下，未来需要加大力度继续开发实用性更强的新能源玄武岩纤维高性能复合材料。例如，以玄武岩纤维为增强体的高性能光伏支架，其价格远低于钢镀锌支架和铝支架，且其质量仅为钢镀锌支架和铝支架的1/4和2/3。此外，如果能够进一步提升BF增强材料的性能，使其综合性能优于玻璃纤维，将极大地扩展其应用领域。
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来源：国高材分析测试中心
