文章转载自“科普地学”

“点石成金”这个成语，出自汉·刘向《列仙传》：“许逊，南昌人。晋初为旌阳令，点石化金，以足逋赋。”这句话翻译成现代的白话文就是：晋朝的旌阳县曾有过一个道术高深的县令，叫许逊。一次，由于年成不好，农民缴不起赋税。许逊便叫大家把石头挑来，然后施展法术，用手指一点，使石头都变成了金子。这些金子补足了百姓们拖欠的赋税。

可以看出，“点石成金”曾是一个神话故事，是一个化腐朽为神奇的比喻。但如今，这种美梦居然成真了：人们用大自然中一种普通的石头——玄武岩，进行拉丝，制作成连续玄武岩纤维（continuous basalt fiber，简称CBF），并在此基础之上生产出各种高级产品，从航天器材到武器装备，从防弹服、防火服到刹车片、钓鱼竿，……，广泛应用于航天、航空、军工、消防、汽车、船舶、建筑、环保、体育等领域，具有广阔的应用前景！曾经不值钱的坚硬石头华丽变身，成了高附加值的21世纪绿色新材料！

玄武岩拉丝并制成航天器产品

玄武岩拉出的丝

利用玄武岩纤维材料制成的产品

中国从20世纪末开始关注连续玄武岩纤维的研制工作，2002年科技部将连续玄武岩纤维发展列入“863计划”，经过20年的发展，已经走在世界前列，但是大众对玄武岩纤维了解并不是很多。中国科学院地质与地球物理研究所刘嘉麒院士在中国积极引导和推动玄武岩纤维新材料发展，最近出版了专著《玄武岩纤维材料》。本文基于该书来简单科普一下如何让玄武岩“点石成金”。

刘嘉麒院士在玄武岩纤维生产车间考察

2021年7月出版的《玄武岩纤维材料》封面

01

什么是玄武岩？哪种玄武岩适合拉丝？

玄武岩（英文名称：Basalt）是通过中心式或裂隙式火山喷发形成的一种基性火山岩（在岩石分类中，通常把SiO2含量在45~52%的岩浆岩或火成岩称为基性岩石，常见的深成侵入岩为辉长岩，浅成侵入岩为辉绿岩，喷出岩为玄武岩），常常形成火山锥、碎屑流、熔岩流、熔岩席等形状，广泛分布在陆地、岛屿和海底，是地球上分布最广的一类岩石，在其他星球上也有广泛的分布，比如月球（远远望去月球表面的黑色月海就是火山喷发形成的玄武岩）和火星（有太阳系中最高大的奥林匹斯火山）。

玄武岩以熔岩、火山碎屑和火山灰等形式出现，颜色可以是黑色、灰色、紫红色，通常呈细粒至隐晶质，致密坚硬，块状、气孔状、杏仁状、球状、枕状构造，柱状节理发育。玄武岩的相对密度为2.6~3.0，即1立方米的岩石重约3吨。

夏威夷火山活动喷发出的炽热岩浆

夏威夷火山喷发溢流的熔岩流

阿曼出露的枕状熔岩

吉林望天鹅火山附近的玄武岩柱状节理

一块玄武岩标本

玄武岩属于硅酸盐类，主要由基性斜长石（拉长石到中长石）和辉石（单斜辉石和斜方辉石）组成，也常常含有橄榄石、角闪石、石榴子石、云母以及含铁、钛的副矿物（如磁铁矿、钛铁矿等）。

玄武岩的化学成分主要由SiO2（含量45~53%）、TiO2（含量1~3%）、Al2O3（含量12~18%）、Fe2O3/FeO（Fe2O3+FeO含量9~15%）、MgO（含量5~10%）、CaO（含量6~10%）、K2O、Na2O（K2O+Na2O含量3~6%）、P2O5等氧化物及挥发分和其他微量元素或化合物组成。

一块含橄榄石晶体（绿色）的玄武岩

根据化学成分和矿物组合，玄武岩可分为四个种类：

（1）碱性玄武岩（alkaline basalt）：该岩石中SiO2含量在45~49%，不饱和，碱含量（K2O+Na2O）高（>4%）。若K2O含量高于Na2O则为钾质玄武岩，反之，则为钠质玄武岩。中国大部分玄武岩属于碱性玄武岩，碱性越强，SiO2相对含量越低。由于碱性玄武岩的岩浆多来自深部地幔，所以常含有基性矿物晶体（如橄榄石、辉石、角闪石等）以及幔岩包体（如二辉橄榄岩、橄榄岩、辉石岩等）。此类岩石不适合作拉丝原料。

（2）钙碱性玄武岩（calcium alkaline basalt）：是介于碱性玄武岩和拉斑玄武岩之间的过渡类型，SiO2含量一般在47~52%，饱和或接近饱和，不含或很少含捕虏晶和深源包体，质地均匀，无或少气孔和杏仁构造，多发育柱状节理，比较适合作拉丝原料。

（3）拉斑玄武岩（tholeiite）：其SiO2含量相对高，50~53%，处于饱和-超饱和状态，几乎不含橄榄石等基性矿物，却可能出现石英斑晶。比较适合作拉丝原料。

（4）高铝玄武岩（high-alumina basalt）：是玄武岩中一个特殊类型，可以属于碱性玄武岩，也可属于拉斑玄武岩，与它们的区别是Al2O3含量高（达16%以上）。

一般来说，用来生产连续玄武岩纤维的原料，其SiO2含量在50~53%，属于钙碱性玄武岩和拉斑玄武岩，而常含捕虏晶和深源包体的碱性玄武岩一般不适合拉丝。

02

辉绿岩也可以作拉丝原料

辉绿岩（diabase）和辉长岩（gabbro）、玄武岩是基性火成岩的同一系列，它们的物质组成基本相同，有着相同或相似的矿物组成和化学成分（即“基因”差不多），只不过辉绿岩为基性浅成侵入岩（距地表比较近），多以岩墙、岩脉、岩柱等形态穿插到其他岩体中产出，而辉长岩是基性深成侵入岩（距地表比较深），多以大型岩体产出。

由于辉绿岩和辉长岩的物质成分与玄武岩的物质成分基本一致，而生产玄武岩纤维材料的原料主要取决于原料的成分，所以从本质上来说，辉绿岩和辉长岩可以代替玄武岩，尤其是辉绿岩更接近玄武岩，甚至有时岩性特征与玄武岩没有明显区别，其纯净度和均匀性往往比玄武岩还好。比如湖北襄阳地区，几乎没有玄武岩存在，却有许多辉绿岩岩墙、岩脉；天津市蓟州区、围场等地的玄武岩原料也是辉绿岩；乌克兰用来拉丝的玄武岩原料，实际上也是辉绿岩。

一块辉绿岩标本

03

玄武岩原料的选择、加工和配制

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原料的选择

玄武岩和辉绿岩多呈细粒隐晶质结构，成分比较均匀，是生产玄武岩纤维材料的首选原料。不管哪种岩石，原料的稳定性和均匀性至关重要，都要选择新鲜的、均匀的、不含斑晶和包体、不具备或很少有气孔状和杏仁构造。

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原料的加工

选好的岩石原料，需要加工破碎，使之成为块、粒、粉。各个厂家对原料粒度要求不同，有的用岩块，直径约1-3cm；有的用岩粒，把岩石碎成豆粒状；还有的用岩粉，即把岩石磨成粉面，细到超过200目。用块好？粒好？还是粉好？一方面要考虑加工、运输、储存的条件和成本，另一方面要考虑哪种料更有利于熔融和节省能耗。

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原料的配置

传统的玄武岩纤维生产用料来自自然界产出的玄武岩，不管什么类型，只要能拉丝，就把它直接取来作原料，不加任何调料，从而保证了玄武岩纤维材料的自然属性和本质性能。但从生产考虑，自然界的玄武岩千差万别，很难保证它的均一性和稳定性，进而影响生产工艺和生产流程的标准化和规模化，影响产品质量的稳定性和均一性。为此，需要从三个途径来解决问题：一是稳定原料产地，二是有针对性的进行化学组分的调配，三是人工配料来达到原料的均一化。

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连续玄武岩纤维的生产流程及主要生产设备

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生产流程

连续玄武岩纤维是以天然的玄武岩为原料，粉碎、熔融后，经漏钣拉丝而成。

连续玄武岩纤维生产设备及流程示意图

生产流程大体上分为以下四个步骤：

（1）投料：把已经选好、加工好的玄武岩原料储存到原料储藏器里，然后按照一定的程序定时、定量、均匀地投到熔样炉里。

（2）熔样：在熔样炉里通过电或气或电、气结合，升温至1500℃以上，把原料彻底熔融，使熔体均匀，温度和粘稠度保持稳定，熔体（岩浆）的深度达30cm。熔样是玄武岩拉丝非常重要的一个环节，原料熔的好坏，直接关系到能不能连续拉出丝和能不能拉出好丝。

（3）转移熔体：把已熔好的熔体自动转移到拉丝系统，转移通道的底面应高出熔炉底面10cm左右，避免熔炉底部岩浆（有时含杂质）直接进入拉丝区间，岩浆在拉丝区间，即漏钣上部保持恒温和均匀，岩浆的深度在15cm左右，必须保持浅液面。

（4）拉丝：岩浆通过漏钣，在自重的牵引作用下拉成丝，一个孔一根丝，所有孔拉的丝合在一起，便成丝束；丝在快速缠绕下不断拉伸。在拉丝的过程中，喷浸润剂是一个不可忽视的重要环节，浸润剂的类型、喷出的量、喷的时间和部位，对成丝的质量、生产效率都有直接影响。

生产玄武岩纤维的车间一角（从上到下可以看到红色的高温漏钣、浸润剂、缠绕机）

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生产连续玄武岩纤维的主要设备

坩埚炉与池窑

生产玄武岩纤维的关键设备是窑炉。目前普遍使用的窑炉有两类：坩埚炉和池窑。坩埚炉通常用一块漏钣，200~600孔，每台年产丝100吨左右。

玄武岩纤维生产车间一角

从原理上来说，坩埚炉和池窑没有本质的区别，但池窑的生产规模和产率比坩埚炉大得多，因而两者在结构上有明显的不同，相对而言，坩埚炉的结构比池窑结构简单得多。

漏钣

漏钣是窑炉的另一主要部位，经过多年的实践，国内外使用的漏钣材料仍是铂-铑合金（铂约占98%），具有耐高温、抗腐蚀、韧性好、稳定性好（不变形）、浸润角小等优点。漏钣的形状几乎都是长方形，大小取决于孔数，孔数多，漏钣的面积就大，单钣有200、400、600、800、1600、2400等不同孔数的漏钣，钣的厚度6~20mm不等。

漏钣

浸润剂

浸润剂是一种以水或有机溶剂为介质，以黏结剂、偶联剂、表面活性剂、抗静电剂等为溶质所组成的一种多组分的水溶液或水乳液。浸润剂在玄武岩纤维的生产和应用中发挥着至关重要的作用，对改善和保护原丝性能、质量方面发挥着重要作用。

缠绕机

缠绕是拉丝过程的一个重要环节，缠绕的速度、稳定性、均匀性、连续性直接影响生产连续玄武岩纤维的质量和效率。缠绕机是纤维缠绕工艺的主要设备，通常由机身、传动系统和控制系统等几部分组成。目前玄武岩纤维生产过程中，最常用的是机械式和计算机数控缠绕机。

05

为什么坚硬的玄武岩可以拉出连续的纤维？

玄武岩是一种坚硬的岩石，为什么能拉出微米级（10-6m）、连续长度可达数十千米的细丝呢？其基本原理是将结晶态的岩石变成玻璃，丝是玻璃态的。

玄武岩纤维制成的纺织纱

这一过程，先要将岩石在高温下熔融成岩浆，岩浆在漏钣处从1400℃漏出进入常温（20~30℃）状态，这突然且快速的冷却，使得岩浆来不及结晶而成玻璃态。

点击边框调出视频工具条

拉丝的短视频

漏丝在缠绕机快速缠绕下不断拉伸，丝的粗细和产率取决于从漏钣漏出的岩浆量和缠绕速度，对于固定的漏钣，漏孔的数量、形态是一定的，漏出丝的数量也是一定的，这时缠绕速度越快，丝就会越细，产率也会越高。但也不能无限制地加快缠绕速度，速度要与漏出的岩浆量（漏出丝的量，相当于漏钣的孔数）相匹配。

玄武岩熔体流出漏钣后，在冷却凝固之前，表面张力的作用会使熔体表面积收缩成最小的圆柱，凝固时保持此形状。因此制备的连续玄武岩纤维外表呈光滑的圆柱状，玄武岩玻璃表层的特性决定了连续玄武岩纤维的强度性能，越光滑的纤维质量越好。

06

玄武岩纤维的优异性能及应用领域

玄武岩纤维具有多种优异性能（表1），如：高的使用温度，高的断裂度，高模量，优异的力学、物理、化学功能，极低的热导率，极低的吸湿性，高的吸声系数，高的吸波功能和透波功能，高的比体积电阻，电绝缘性能好，可抗紫外线、防辐射、防电磁，燃烧烟密度低、无熔滴，无毒性，无污染等。因此，它的用途广，性价比高。

表1 玄武岩纤维与其他纤维性能比较

（1）力学性能好，抗拉强度高

连续玄武岩纤维的密度为2.65~3.00g/cm3，莫氏硬度为5~6，弹性模量为91~110GPa，抗拉强度为3000~4800MPa，高的断裂强度（3200MPa）和低的断裂伸长率（3.1%），具有优异的耐磨抗拉增强性能，在桥梁建筑等方面显示出很大的优势，在体育用材方面也得到广泛应用。

（2）化学稳定性好，抗腐蚀性能强

玄武岩纤维含有的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，具有良好的化学稳定性和很强的耐酸耐碱性能，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；用玄武岩鳞片涂料作为保护层的建筑物和水下物体，包括军舰和船只，可以大大增强防腐蚀的能力和寿命；也可用于制造净化工业废气和城市废物处理装置的过滤器。

利用玄武岩纤维制作增强材料

（3）隔热性能好，既耐高温又耐低温

玄武岩纤维绝热性能好，无热收缩现象，绝对不可燃，在加热情况下没有有害的物质或气体排出；使用温度范围一般为-269~700℃，软化点为960℃。因此，可用于制造隔热、吸声的结构材料和防火材料，如防火墙、安全防火门、防火服、防火毯等阻燃材料及其他工业或民用高层建筑的某些产品。在低温技术中，玄武岩纤维可用作高效隔热保温材料，在航天、航空及极地考察所需的材料中具有不可替代的重要性。

（4）介电系数高，绝缘性能好

玄武岩纤维具有良好的介电性能和高绝缘特性，利用这一特性和吸湿率低、耐温好的特性，可用于制造仪器仪表、电动机及各种电器中的附件，也可用于制成高质量印刷电路板，风力发电叶片的增强材料等。

此外，玄武岩纤维具有良好的透波性能和吸波性能；吸声系数高，隔音效果好；吸湿性低，与水泥相容性好。很难找到一种材料有这么多的优点。随着时间的发展和技术的进步，玄武岩纤维可以代替其他纤维，但其他纤维代替不了玄武岩纤维。

07

“点石成金”的兄弟产品 ——玄武岩岩棉与玄武岩鳞片

玄武岩岩棉（basaltic wool）

玄武岩岩棉是以精选的玄武岩、辉绿岩为主要原料，外加一定数量的辅助料，经高温熔融（1450~1500℃）喷吹制成的人造纤维，具有不燃、无毒、质轻、热导率低、吸声性能好、绝缘、化学稳定性能好、使用周期长等特点，是国内外公认的理想保温材料。其主要类型有岩棉板、岩棉毡、岩棉带、岩棉管壳等。

玄武岩岩棉

由于玄武岩岩棉具有许多优良品质和特殊性能，所以它拥有广泛的应用领域，比如：热动力设备的绝缘、隔热、保温、消声材料；消防系统用的各种防火材料；交通工具的功能性附件（隔热板、消声器等）；建筑制造业的防火、保温、吸声材料；过滤材料和过滤制品。

玄武岩鳞片（basalt flake）

玄武岩鳞片是将玄武岩原料熔融后，通过漏钣喷制而成的，是非晶质的。由于它是一种很薄的片状材料，其厚度仅有2~6微米，表面面积为0.5~4.5mm2，形态似鱼鳞，故称为鳞片。

玄武岩鳞片

玄武岩鳞片的主要性能是耐高温和耐低温（工作温度区间在-260~1050℃）；化学稳定性强，耐热酸、热碱（氢氟酸除外）。玄武岩鳞片是制造耐磨、耐蚀、耐化学腐蚀的表面涂层，也是制造加强型复合材料、加强型塑料、摩擦材料（刹车块、齿合盘）的填充料的独一无二的材料，是一种新的具有很高化学稳定性的鳞片状填充剂。玄武岩鳞片基涂层可用于船舶、航天火箭、飞机、汽车等机械制造工业、能源工业（涡轮叶片）、化学和无线电设备工业、农业等国民经济各部门的金属制品的表面保护。

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中国玄武岩纤维材料产业

存在的主要问题与前景

中国对于玄武岩纤维材料的研制与开发虽然比起前苏联的一些加盟共和国（如乌克兰、俄罗斯、格鲁吉亚等）起步晚，但发展很快，自20世纪末至今仅二十余年的时间，已在全国二十多个省、市、自治区建立了30余个生产玄武岩纤维的厂家和数十家研发玄武岩纤维产品的企业（表2）。经过20年的努力，中国不仅掌握了玄武岩纤维生产的先进技术，并且在一些方面有创新，居于世界领先水平。此外，中国的玄武岩类岩石分布广，储量大，类型多，资源禀赋优越。

表2 中国玄武岩纤维材料主要生产厂家

（排名不分先后）

目前我国玄武岩纤维材料产业存在四个主要问题：（1）原料问题，即原料的不稳定性、不均匀性影响规模化生产，影响生产出的纤维产品的质量；（2）标准问题，即新兴产业还缺乏整体规范，缺乏统一标准；（3）市场问题，即玄武岩纤维产品市场需要统一规范、统一管理；（4）人才问题，即缺乏专业人才，缺乏研究力量。

但是，目前国家高度重视玄武岩纤维这一新材料，并且它的生产过程“无废气，无废物，无有毒物质释放”的“三无”特征非常符合当今社会经济绿色发展的时代要求，再加上我国玄武岩（包括成分相当的辉绿岩）资源禀赋优越，预期可以形成广阔的产业链、有广泛的市场需求，因此发展机遇是非常好的。

最后，不得不说的是：在没有开发玄武岩纤维材料之前，玄武岩这种石料几乎白白地躺在荒野中，最多也就是拿来当铺路石子，通常1立方石块重约2.5~3吨，其价格约200元，平均每吨约70~80元。现在，制成纤维材料之后，1立方石料大约可生产2~2.5吨的纤维或岩棉，每吨纤维至少可售价10000~20000元（根据纤维类型和质量而定价），每吨岩棉能售5000元。

这真的就是现代版的“点石成金”！

主要参考文献：

刘嘉麒著. 玄武岩纤维材料. 北京：化学工业出版社，2021

刘嘉麒. 绿色高新材料——玄武岩纤维具有广阔前景. 科技导报，2009，27(9): 3

丁宝明，张蕾，刘嘉麒. 中国玄武岩纤维材料产业的发展态势. 中国矿业，2019，28(10): 1-5

作者：刘强 博士/中国科学院地质与地球物理研究所

美编：王皖豫

校对：张崧