圖為玄武巖纖維成品。（資料圖片）
圖為四川省玄武巖纖維生產企業的工作人員正在查看產品。（資料圖片）
玄武巖本是我國常見的一種普通鋪路石料，但經過特殊手段處理后，它卻能改變形態，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，應用價值大大提升。因此，有人形象地把它的制造技術稱為“點石成金術”。
高質量發展的實現離不開強大的新材料支撐。“十三五”期間，國家將玄武巖纖維列為重點發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用示范指導目錄（2019年版）》也再次將玄武巖纖維列入關鍵戰略材料。
近年來，我國玄武巖纖維制造技術加速發展，取得許多新成果，為新基建、智能制造等新興產業的發展提供了強大支持。
從普通鋪路石到高新纖維材料
常看武俠劇的人，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。這些溶液經過澄清冷卻和均質化后，通過漏板，在拉絲機的高速牽引下，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絲的三分之一，但其強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復合材料則具有高強度比，可以用來制造坦克、艦船、飛機的外殼。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排出，對環境污染很小。
玄武巖纖維的應用范圍十分廣泛，在航空、航天、建筑建材、道路橋梁建設、艦艇船舶制造、風力發電等領域都能大展身手。
中國公路學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構高溫穩定性、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過封閉維修，再次通車。升級版的南京長江大橋就在關鍵部位使用了玄武巖纖維。玄武巖纖維有優異的抗拉增強性能，大橋施工人員將玄武巖纖維與混凝土構件粘結，對大橋進行加固，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中也用到了玄武巖纖維。
“玄武巖纖維技術出現僅30年，世界各國對該技術的應用都處于初級階段。”中科院地質與地球物理研究所研究員劉嘉麒介紹，現在全世界生產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，將會對新材料產業有很大促進作用。
想讓礦石“聽話”需要攻克數十個難關
把堅硬的石頭熔化拉絲變成纖維，并非易事，尤其是當你面對的還是一種不那么“聽話”的石頭。
中國科學院新疆理化技術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物，化學成分波動性較大，因此，在制備中玄武巖纖維的性能本身就不穩定。其次，從玄武巖礦石到玄武巖纖維需要經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品的質量。”
令人自豪的是，中國是目前全世界少數幾個掌握了玄武巖纖維拉絲生產技術的國家。馬鵬程表示，我國對玄武巖纖維的研究雖然起步較晚，但經過不斷的艱難探索，科研人員和相關企業攻克了不少制造技術的難關，實現了玄武巖纖維的批量生產并形成一定市場規模。
玄武巖熔融拉絲全電熔池窯技術是我國的自主創新技術。6月22日，我國具有完全自主知識產權的世界首套玄武巖連續纖維萬噸級池窯生產線正式投產。7月1日，玄武巖纖維2400孔漏板拉絲智能化池窯生產線也點火投產。
萬噸級池窯生產線所在的四川省玻纖集團有限公司技術部經理李軍介紹，與傳統工藝相比，池窯法工藝作業穩定、自動化程度高，可以讓巖石的熔化率更高，能夠同比降低生產成本40%以上，大大提高了產品質量和生產效率。
“完全自主設計的熔化窯爐是整條生產線最核心的裝備。”李軍表示，“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部放置電極，采用內部加熱方式完成巖石熔融。”
為解決玄武巖在熔制過程中不穩定的問題，相關企業的研究人員對玄武巖纖維池窯拉絲技術進行了大量攻關研究，經歷過無數次的失敗與無數次的嘗試，攻下了數十個難題。比如，為了讓玄武巖在制造中更加穩定，技術人員在礦石原料選取階段通過大數據進行優選，確保礦石原料的品位較高。在粉碎制料階段，通過全球首創的原料空氣動力粉碎、均質化等技術方式，提升原料礦物組分的穩定性。在熔融階段，通過設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，技術人員在溶液變成細絲的關鍵設備——漏板上做文章，力爭在拉絲過程中不僅實現一拖多個漏板，而且盡可能多地增加每個漏板的孔數。
“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可以引進，注定要自主創新。通過科技手段，讓玄武巖這樣一個低附加值的產品煥發出它的勃勃生命力，這是我們科研工作者的理想和使命。”馬鵬程表示。
我國部分新材料技術創新已進入“無人區”
材料是制造業的基礎，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、新能源、智能制造等為代表的新興產業對材料提出了更高要求，新材料的研發難度前所未有，創新難度不斷加大。可以說，我國部分新材料技術創新已進入“無人區”。
就玄武巖纖維來說，如何通過技術創新，讓這種材料性能更強大、價格更親民，是科研工作者和生產制造者們下一步要解決的問題。
在玄武巖礦藏豐富的新疆，中國科學院新疆理化技術研究所（以下簡稱新疆理化所）建立了基于國內地理、地質等因素考慮的中國玄武巖纖維材料大數據庫，形成玄武巖纖維領域的數據共享和大數據分析，數據庫成果可以用來指導纖維拉絲過程，為開發高性能玄武巖纖維材料提供技術可行性。
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電的纖維，因而被默認為是一種絕緣材料。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了碳納米材料在纖維表面的可控生長，獲得了導電纖維材料，顛覆了傳統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域的應用。
同時，隨著我國探月工程的推進，科研人員已經在探究用月球表面分布的玄武巖質月壤制作連續纖維的可行性。研究結果表明，月壤與地球玄武巖礦石具有相近的化學成分、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，我國新材料創新體系日趨完善，制造業創新中心、技術創新中心、國家重點實驗室、產業基地等已達到400家左右，相關創新性成果不斷涌現。
今年5月，西南交通大學等科研團隊研發出一種高強阻燃型玻璃纖維復合材料。這種材料可以應用在軌道交通領域，通過給軌道電力、應急設施“穿上”高強阻燃型玻璃纖維的新材料“盔甲”，軌道的強度、阻燃、耐腐蝕、絕緣、導熱、耐水等性能指標均可實現較大提升。
馬鵬程表示，其實新材料不見得是一種全新物質，通過科技手段對傳統材料進行創新轉化，也是新材料的一種。隨著新材料研究的推進，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。（王雅慧）
中國工程院院士、副院長干勇：新材料技術是一個底盤技術
中央紀委國家監委網站 王雅婧
新材料是支撐現代制造業的物質基礎，也是國家七大戰略性新興產業之一。當新一輪科技革命與我國經濟發展轉型形成歷史性交匯，我國新材料產業發展迎來一次難得的歷史性機遇，也面臨著“不趕上就出局”的巨大挑戰。我國新材料發展面臨怎樣的發展形勢？為什么說“趕不上就出局”？記者就相關問題連線中國材料領域的專家——中國工程院院士干勇。
記者：習近平總書記在山西視察時指出，新材料產業是戰略性、基礎性產業，也是高技術競爭的關鍵領域，我們要奮起直追、迎頭趕上。為什么說新材料是戰略性、基礎性產業？
干勇：萬物都是由物質組成的，物質再往前發展一步，就是材料。我們的生活離不開材料，我們實體經濟的發展、技術的發展，更離不開材料的支撐。材料產業是國民經濟建設、社會進步和國防安全的物質基礎。特別是現在，工業化同信息化的交叉融合使得整個工業化的進程加快，可以說，人類已經進入到一個新的時期。新時期要想加快發展，必須重視材料的作用。因為一代材料決定一代技術，技術的發展首先是材料的發展。新一代材料發展以后，才能帶動新一代技術、新一代設備裝備、新一代工程的發展。比如說，超導材料出現以后，我們才能生產出一系列高端醫療器械；新一代半導體材料用好以后，5G通信等才有進一步發展的可能。所以說，新材料是一個戰略性、基礎性的產業。
新材料有兩種，一種是我們發現了一些有新用途、新功能的材料，一種是對傳統材料進行升級，使它產生新的性能。目前，我國在鋼鐵、有色金屬、稀土金屬、水泥、玻璃、化學纖維等百余種材料的產量上都居于世界前列。這些傳統的基礎材料經過先進技術制備后，就能夠變成一種新的材料，進而可以再變成器件、模組等我們需要的制品用于一些工程的建設中。這種材料性能的變化，才產生了新的產業，進而產生新的裝備，新的國家實力。就像我們的身體要想長大，必須先有骨骼、肌肉。所以，新材料技術是一個底盤技術。
更重要的是，新材料還有一個先導性的引導作用。所有的先進產業的產生、發展，先進裝備、高端裝備的出現，首先得有能滿足它這個先進功能的材料。所以材料的性能一旦提升以后，那么其他產業也相應跟著發展。材料應該是先行的。也正因為它有引導性，這才有戰略性。
你看我們以前研究制造一些高性能的飛機，有時候是飛機研究出來了，再去研制配套材料，后來就會發現，搞不上去了，因為來不及了。因為材料發展的周期比技術發展的周期要長，你整體設計的飛機出來以后，具體的材料不行，那飛機的質量水平肯定上不去。
記者：我們國家在新材料發展上已取得哪些成果或具備哪些優勢？還存在哪些亟待補足和完善的地方？
干勇：目前，我們國家已經建立了比較健全的材料體系，國民經濟所需的基本材料我們幾乎都有。但是在新材料方面，尤其是很多高端材料，包括一些關鍵復合材料、新型能源材料、半導體材料、稀土功能材料、信息顯示材料、生物醫用材料等，我們還不具備。但可喜的是，我們國家在新材料方面也在奮力追趕，比如碳纖維、石墨烯等發展就很迅速，再比如我們的超級鋼，現在普及應用也做得很好。
此外，我們在新材料方面和一些發達國家的差距還在于對材料性能的提升上。現代經濟社會的發展需要越來越精密的產業裝備，這些精密的產業裝備又需要超高純的、高強度的以及特殊性能的材料，同時還要求材料的成本要低。尤其是像航空航天這樣的戰略性行業，所需的材料國外是不會賣給我們的，他們只會賣給我們飛機這種成品裝備。所以一旦我們在這方面不具備生產能力，就會被人家“卡死”。
所以我感覺，中國在關鍵戰略材料上還需要發力，尤其是要加強自主創新能力。因為目前很多新材料以及新材料的生產技術都是國外發明的，所以很多新材料方面的標準都是國外定的。我們需要有自己的技術，才能有自己在新材料上的話語權。
記者：有人認為未來5年將是我國新材料發展由大做強的關鍵時期。對此，您怎么看？
干勇：為什么有人說未來5年是我國新材料發展由大做強的關鍵時期？我個人的看法是，今年是“十三五”規劃收官之年，也是全面建成小康社會決勝之年，我們國家進入“十四五”以后，實際上正好是世界第四次工業革命時期。第四次工業革命，是以石墨烯、基因、虛擬現實、量子信息技術等為技術突破口的工業革命。前三次工業革命，中國都沒趕上，都錯過了。所以這一次，我們不能再落下了。
我剛才也說了，材料是基礎，所以材料首先要突破，我們的其他高新技術產業才能夠做大做強。我覺得，今后10年到15年，我們國家的新材料產業發展必須要邁入國際一流方陣，實現從材料大國向材料強國的轉變，我們才能提制造業強國這些概念，因為材料不強，其他的沒辦法真正強起來，最后還是要受制于人。材料上不突破，我們在第四次工業革命的浪潮中又要被人家落下了。
另外，我們現在也具備從材料大國變成材料強國的條件。比如我們有大量材料領域的研究人員。材料研制的特點是周期長，尤其是要研究一種新材料，不僅時間很長，而且投入大，還沒法馬上取得應用。好在我們的研究人員不怕苦，我們的科研人才力量是充足的，我們國家150多所高校設有材料專業，新材料領域的兩院院士有200多名，新材料的國家重點實驗室超過60個，這些完整的體系已成為全面推動我們新材料產業發展的支撐。另外，我們國內有廣闊的材料市場，市場需求量很大。經濟會推動眾多技術的發展，進而支持我們在新材料領域的研究。比如我們現在調整能源結構，對燃煤技術進行改造，需要幾千萬的耐熱合金和耐熱鋼。還有我們進行深海開采，需要各種耐蝕合金和海水淡化膜材料。
我感覺，大概5年左右我們能夠在材料方面進入一種基本安全的狀態；大概10年左右，我們能在一些材料領域做強。目前來說，我們必須抓緊時間，一定要跟上，不跟上，就會出局。
