玄武岩纤维大放异彩 “织”出国旗首次在月球背面升起
2024-06-0520
6月4日7时38分，嫦娥六号完成世界首次月球背面采样和起飞，嫦娥六号着陆器携带的五星红旗在月球背面成功展开，这是我国首次在月球背面独立动态展示国旗。而且，这面五星红旗的原材料居然是玄武岩！玄武岩作为岩棉制品的主要矿种。本次用于嫦娥六号“石头版”国旗制作，体现了玄武岩的“高大上”特点，也为玄武岩企业发展提供了新思路！
嫦娥六号展示的国旗是科研人员通过一年多时间攻关，利用玄武岩熔融拉丝技术制作而成的，它具有更强的耐腐蚀性、耐高温、耐低温等优异性能。
据中国科学院国家空间科学中心研究员、嫦娥六号探测器有效载荷分系统总设计师周昌义介绍，玄武岩石头来自河北蔚县，把玄武岩运回去以后，要把它粉碎、融化以后拉成头发丝直径大概三分之一的细丝，然后把它纺成线，织成布。因为月面上的玄武岩含量是丰富的，后面要做月球基地，很有可能要把玄武岩做成纤维，做成建筑材料。“可以说这是一面技术含量很高的‘石头版’织物国旗。”武汉纺织大学纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室徐卫林院士介绍说。据了解，嫦娥六号月面国旗展示系统由中国航天三江集团联合武汉纺织大学等单位共同研制。针对此次任务中高低温交变、高真空及强紫外辐射等极端环境要求，武汉纺织大学纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室徐卫林院士月面国旗团队选用了玄武岩材料。嫦娥六号月面国旗交付正样件。图片来源：武汉纺织大学历时近4年，团队攻克了玄武岩超细纤维纺丝、纺纱、织造及色彩构建等诸多国际难题，首次成功研制出无温控保护、独立动态展示的“石头版”高品质织物国旗。与嫦娥五号在太空飞行7天后到达月面相比，此次嫦娥六号自5月3日出发后，在太空飞行了30天才落月，时间大幅增加。在奔月、绕月及落月的过程中，高低温反复交替，国旗对环境的耐受性要求就更高。“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。”徐卫林院士说。嫦娥六号月面国旗和嫦娥五号上的国旗规格一样，大小也是300mm×200mm，与A4纸差不多大。不过，玄武岩纤维的密度超出嫦娥五号国旗原料密度近一倍，按常理推断，“石头版”国旗会更重。不过，团队研发了大概是头发丝直径三分之一的超细玄武岩纤维，最后做出来的嫦娥六号国旗的重量只有11.3克，比嫦娥五号国旗还要轻0.5克。嫦娥六号月面展示国旗的重量和质量要求非常严格，既要做到薄而软，又要做到强而韧，但玄武岩纤维属无机纤维，脆性较大、耐磨性差、表面光滑，因此，制备超细玄武岩纤维难，纺高品质纱难，构建高牢度颜色也难。针对上述三大技术难点，月面国旗研制团队联合相关企业创新设计了喷丝板内腔结构，进行梯形优化，再配合炉内分布式精准控温，成功实现了超细玄武岩纤维的稳定量产。此外，光滑的玄武岩长丝对制作月面国旗又提出新的挑战，团队利用织物表面的芳纶短纤毛羽，使颜料中的粘合剂与其形成类似“铆钉”锚定的效果，有效提升涂料的界面结合牢度与国旗图案的饱满度，保障国旗的月面展示效果。嫦娥六号月面国旗室外成像效果。图片来源：武汉纺织大学玄武岩纤维是一种从天然火山岩石中提取的创新材料，经过 1450℃至 1500℃的高温熔融和铂铑合金拉丝技术制成。其强度可与高强度 S 型玻璃纤维相媲美，且成本更低。这种纤维在性能上填补了碳纤维和玻璃纤维之间的空白，具有与 T300 型碳纤维相当的拉伸强度，同时具备出色的耐火性能和对极端温度的适应能力，可在-269℃至 700℃的温度范围内持续工作。
在环保方面，玄武岩纤维同样表现出色。其生产过程产生的废弃物少，对环境污染小，且产品在废弃后可自然降解，充分体现了可持续发展的理念。美国德州的玄武岩连续纤维工业联盟指出：“玄武岩连续纤维是碳纤维的低价替代品，具有一系列优异性能，尤为重要的是，由于它取自天然矿石而无任何添加剂，是迄今为止唯一无环境污染、不致癌的绿色健康玻璃质纤维产品，具有广阔的市场需求和应用前景。”历史上，英国人威尔斯在 1840 年就已尝试研发玄武岩纤维。此后，法国人 Paul Dhe 在 1923 年申请了从玄武岩矿石中提取纤维的专利。真正的突破发生在 1954 年，苏联科学家成功从玄武岩矿石中提取了玄武岩纤维。20 世纪 60 年代之前，美苏已开始在军事领域探索其特性和用途。中国虽然在科研上起步较晚，但从 20 世纪 70 年代开始，国家建筑材料科学院和南京玻璃纤维研究院等机构就在军事领域开展了研究。2001 年，中国与俄罗斯共同启动了玄武岩纤维项目。我国在玄武岩纤维生产方面起步较晚，但发展很快。目前在工艺及设备运行稳定性、纤维性能、终端纤维制品的开发等方面，已经达到国际领先水平。同时，我国玄武岩资源十分丰富，甘肃、黑龙江、新疆、山西、四川等地均有大量的玄武岩矿产资源分布。我国也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。玄武岩纤维具有优越的化学、物理、力学及耐高温性能，连续玄武岩纤维可被制成粗纱、细纱、土工布、编织布、短切纱、针刺毡、套管等，进而应用于不同领域。玄武岩纤维产品在复合材料方面明显优于玻璃纤维。在短切毡、粗纱和单向织物形式中，玄武岩纤维表现出比玻璃纤维更高的断裂载荷和杨氏模量（对给定材料刚度的度量）。此外，玄武岩纤维天然抗紫外线（UV）和高能电磁辐射，在低温下保持其性能，并提供更好的耐酸性。据报道，玄武岩在工人安全和空气质量方面也具有优越性。由于玄武岩是火山活动的产物，因此纤维化过程比玻璃纤维更环保。此外，玄武岩是 100% 惰性的，也就是说，它与空气或水没有毒性反应，是不燃和防爆的。防火隔热领域的应用：玄武岩纤维织成的防火布耐高温、隔热效果好、无熔融滴落、无有毒气体排出、无热收缩，是防火服、防火毯、防火帘的优良材料，耐温可高达650℃，极限氧指数大于 68, 大大优于芳纶等到有机纤维。基础设施领域的应用：玄武岩纤维拉伸强度高、耐酸碱、化学性能稳定，可部分替代碳纤维片，用于基础设施的修复、更新和加固；亦可替代聚脂纤维、聚炳烯纤维、聚炳烯腈纤维，用于增强砂浆混凝土和沥青混凝土，具有较强的防渗抗裂功效，可广泛用于高速公路、飞机跑道、海港码头、水电工程建筑等基础设施领域。在环保领域的应用：玄武岩纤维是一种新型的绿色环保材料，可用于环保领域有害介质、气体的过滤、吸附和净化，特别是在高温过滤领域，玄武岩纤维的长期使用温度是650℃，远优于传统过滤材料，是过滤基布、过滤材料、耐高温毡的首选材料。玄武岩纤维增强塑料的应用：以玄武岩纤维为增强体的复合材料可用于防弹装甲、雷达罩、炮管热护、吸波透波隐身材料等国防领域；也可用于车船结构、耐压耐腐蚀管道、缠绕钢瓶、印刷电路板等民用领域。审核：杨静、刘亚丹
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