玄武岩纤维材料是用火山喷发形成的玄武岩为原料加工而成的无机纤维材料,是玄武岩石料在1450℃～1500℃熔融后,通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维。无废气、废水、废渣排放,是一种低投入、高产出、低耗能、少排放的环境友好型新材料。纯天然玄武岩纤维的颜色一般为褐色,有些似金色。

玄武岩纤维是一种新型无机环保绿色高性能纤维材料,它是由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成的玄武岩石料在高温熔融后,通过漏板快速拉制而成的。玄武岩连续纤维不仅强度高,而且还具有电绝缘、耐腐蚀、耐高温等多种优异性能。此外,玄武岩纤维的生产工艺决定了产生的废弃物少,对环境污染小,且产品废弃后可直接在环境中降解,无任何危害,因而是一种名副其实的绿色、环保材料。我国已把玄武岩纤维列为重点发展的四大纤维(碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯、玄武岩纤维)之一,实现了工业化生产。玄武岩连续纤维已在纤维增强复合材料、摩擦材料、造船材料、隔热材料、汽车行业、高温过滤织物以及防护领域等多个方面得到了广泛的应用。

玄武岩纤维的优异特性

力学性能

玄武岩纤维的密度为2.5～2.7 g/cm3,拉伸强度为3 000～3 500 MPa,拉伸弹性模量为100～150 GPa,断裂伸长为3.2% ,莫氏硬度为6.5～7.5°,因此它具有优异的耐磨、抗拉增强性能。加拿大一家公司研制生产的玄武岩连续纤维其拉伸强度达到4 840 MPa,接近于高强碳纤维,而其成本却远低于碳纤维。

吸音性能

玄武岩纤维具有优异的吸声性能,将其制品在不同音频下的吸音系数进行实验得出,随着频率的增加,它的吸声系数显著增加 。如选用材料直径1～3 μm的玄武岩纤维制成的(密度为15 kg/cm3 ,厚度为30 mm)吸音材料

高热稳定性

玄武岩纤维及其制品可以在600℃条件下使用,而玻璃纤维在相同条件下的使用温度一般不超过400℃。采用无机粘合剂制造的玄武岩纤维隔热材料可以在700℃条件下使用。此外,玄武岩矿石的成分比例的调整能够制成可在800℃下工作的耐高温材料。玄武岩纤维制成的过滤器可以在400～650℃ 温度区间内对压力为234～254 kg/mm2的空气进行过滤。

化学稳定性和耐腐蚀性

玄武岩纤维中含有KO、MgO和TiO等成分,而这些成分对纤维的耐化学腐蚀及防水性能起相当重要的作用。玄武岩纤维与玻璃纤维的化学稳定性相比更显优势,特别是在碱性和酸性介质中更加明显。

绿色环保性

玄武岩矿石在熔化过程中不产生硼和其它碱金属氧化物等有害气体,因此其制造过程对环境没有污染。且玄武岩纤维能够自动降解成为土壤的母质,克服了传统材料在废弃过程中需消耗大量的能源和污染环境等缺点,故玄武岩纤维是21世纪又一种新型的环保型无机纤维。

在汽车中的应用

汽车用摩擦增强材料

玄武岩纤维不仅强度高、热稳定性好、不易损伤对偶、磨损低、摩擦系数稳定,而且价格适宜。从下表可以看出,玄武岩纤维的材料密度适中,其拉伸强度与玻璃纤维相当,且玄武岩纤维增强摩擦材料的耐磨性高于石棉纤维、钢纤维和玻璃纤维。通过对玄武岩短切纤维增强制动片的性能检测,认为其具有高温摩擦系数稳定、热衰退小和制动噪音低等特点,适合作为摩擦材料的主增强材料。该材料有利于解决传统汽车制动器出现的“热衰退”现象,进而减少交通事故的产生。西班牙GALFER公司已成功开发以玄武岩纤维作为主增强纤维来生产的1052系列摩托车刹车片。因此,玄武岩纤维应用于摩擦增强材料既有利于增加汽车摩擦材料的寿命,提高摩擦材料的使用温度,又能解决当前摩擦材料的存在的各种不利因素。采用玄武岩纤维制成的耐高温结构复合材料,用于汽车制动器、离合器等磨擦增强材料,既为汽车的高速化发展助力,又有利于提升汽车的安全性能,其开发具有广阔的市场前景。

汽车用高温过滤材料

目前汽车用过滤材料主要使用的纤维有粘胶纤维,聚酯纤维,以及聚烯烃纤维,主要用于发动机进气过滤和车仓空气过滤还有汽车尾气净化过滤。但是这些纤维存在着耐热效果不好,尤其是尾气过滤中,使用寿命不长。其中聚酯纤维和聚烯烃纤维,均来自于石油产业,而石油是一种不可再生资源,因此寻求一种可再生的高性能的纤维成为当前的重点。

玄武岩纤维的力学性能远远超过于聚酯纤维和聚烯烃纤维,且其耐酸碱性能远远超过这两种纤维,使用玄武岩纤维制成的过滤材料具有耐破度高,抗张强度好,性价比高,能完全降解以及优良过滤性能,是未来高温过滤材料的首推材料。玄武岩纤维汽车过滤材料能够在高温条件下将汽车尾气中的固体粒子过滤分离开来,降低汽车尾气对城市污染,且其过滤材料具有在高温条件下长时间使用,而性能保持稳定的优点。俄罗斯与乌克兰用连续玄武岩纤维制成的过滤布在900 ℃的高温下,连续玄武岩纤维的质量损耗仅为12%。玄武岩纤维汽车用过滤材料的应用,符合新世纪环保的要求,也有利于满足人们追求高性能汽车的要求。

汽车内饰材料

汽车用内饰材料主要有皮质内饰、金属内饰、塑料内饰、纺织品内饰等等。其应用范围主要包括汽车内部的顶棚、门衬板、地毡、座椅、安全带、隔音毡、行李仓衬垫、密封过滤毡等大约四十多个部件。要求内饰材料必须具有高刚度、轻量化、阻燃、低成本,且不污染环境。目前应用较多的内饰材料普遍存在强度不够,受热易挥发对人体有害的气体,以及减振、隔热、吸音性能较差,特别是材料的声阻性能和降低噪音性能低于行业所要求的水平,因此开发新型的具有遇热不挥发有害气体,且耐热、吸音、机械性能高的材料具有十分重要的意义。与内饰材料中使用较为广泛的玻璃纤维相比,玄武岩纤维的吸音及耐热性能远大于E-玻璃纤维。

汽车仪表板

用玄武岩纤维复合材料制作软质汽车仪表板骨架,强度高,弹性模量高,流动性更好,耐冲击,耐疲劳,耐腐蚀性好,生产周期短,生产效率高,易于实现复杂制件一次成型。同时仪表板设计厚度也可相应减薄,质量相对减轻,一般可减轻质量25%左右。汽车软质仪表板骨架要求材料耐热、耐湿且刚性好,不易变形等。玄武岩纤维复合材料完全满足要求。

汽车前端支架

前端模块起着连接汽车前端和功能集成的作用。一般,前端模块可以包括6大部件:即前端支架、冷却空调系统、信号和照明系统、车身保护和外观造型结构系统、传感器和驾驶辅助系统以及行人保护系统。采用玄武岩纤维增强PP材料整体塑成型制作的前端支架耐腐蚀、抗冲击、尺寸稳定性好、力学性能高,减重达20%～40%。目前各大自主品牌车企都在积极研发中,使之成为汽车工业的主要原材料之一,尤其是较重型汽车上使用效果会更好。

汽车车身

玄武岩的强度和刚度足以满足汽车车身架构的需要,在减重汽车的同时有着良好的防撞性能。2009年,日内瓦车展展出了德国一款轻型概念车,它使用玄武岩材料做车身,比使用玻璃纤维做车身的减少了30%的重量,还可以100%回收利用,对环境的污染降至了最低。据说,它还可以在-260℃～820℃下使用。一款由意大利Roller Team房车公司设计的环保概念房车采用了玄武岩纤维墙板,减重达40%。

汽车弹簧

汽车经常采用钢板弹簧安装在汽车悬架上,目的是起到减震的作用。卷耳与板弹簧链接部位采用铆钉链接,链接部位容易出现疲劳折断,缩短了板弹簧的使用寿命。为解决以上问题,吉林通鑫玄武岩科技有限公司生产了玄武岩纤维板弹簧,其强度和刚度都很高,只有3kg,弹性模量在60多万次,而钢板弹簧15 kg,弹性模量15万次,厂家透漏它们与一德国企业合作,零部件已装上试验车,表现良好。

汽车消声器材料

消声器是解决汽车噪声的主要手段,在消声器的生产工艺和结构方面生产商都有成熟的方法,未来的几年消声器的原材料成为行业技术的发展趋势和着眼点。目前传统制作消声器的原材料钢材的价格在不断攀升,由于制作消声器的竞争激烈,使它的价格在不断下降,整车厂对于配套的消声器价格也要求不断降低,这就使消声器企业的单位产品利润有所降低,对消声器企业是个不小的考验。所以,研究人员在不断寻找新的材料来代替以前常用的钢铁材料。

玄武岩纤维的耐热性比耐高温的石英玻璃纤维好。在450℃条件下,其断裂强度仍保持在80%左右;在350℃的条件下,其抗拉强度能保持75%以上。这表明连续玄武岩纤维具有完美的耐温性,与其他纤维相比其耐热氧化性能更加明显,成为耐高温材料使用在长期处于低温-185℃液氮介质作用后,其强度几乎不发生变化,足以证明它是有效的低温绝热材料。玄武岩纤维隔音效果好,可用作隔音材料,玄武岩纤维材料密度15kg/m3;厚度30mm;隔离壁面与材料的间距0.0mm的性能数据为:频率范围为1200～7000Hz;法向吸音系数0.86～0.99。