玄武岩纤维在汽车行业上的应用前景分析

玄武岩纤维在汽车行业上的应用前景

核心提示：近几年来，随着石油、钢材等不可再生资源的加速消耗，使得资源开发变得愈加紧张，按照当今的开采及耗损量，保守估计，石油及钢材

近几年来，随着石油、钢材等不可再生资源的加速消耗，使得资源开发变得愈加紧张，按照当今的开采及耗损量，保守估计，石油及钢材只能维持30～50年。因此，开发可替代钢材的材料显得尤为重要。在50年代末，就有人提出以石代钢的想法，自70年代，玄武岩纤维的成功研发，使得这一想法得以实现。

玄武岩纤维具有力学性能佳，耐高温性能好，化学性能稳定，生产过程环保等优点。玄武岩纤维复合材料的性能远远比钢材优异，而其重量却远小于钢材，将其应用于汽车上，可以大大的减轻汽车的负重，从而降低能源消耗，而其性能又能得以极大的提升。玄武岩纤维制品具有可自然降解性，与环境相容性好的优点，既符合汽车材料向着高性能发展的要求，也符合国家对于汽车材料绿色环保的要求，在汽车行业中有着良好的应用前景[1-4]。

1玄武岩纤维的优异特性

1.1力学性能

玄武岩纤维的密度为2.5~2.7g/cm3，拉伸强度为3000~3500MPa,弹性模量为100~150GPa,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4840MPa,接近于高强碳纤维,而其成本却远低于碳纤维

1.2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[5]。如选用材料直径1～3μm的玄武岩纤维制成的(密度为15kg/m3，厚度为30mm)吸音材料，其吸音性能见表1。

1.3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234～254kg/mm2的空气进行过滤，试样1、试样2、试样3的压力分别为234、240和254kg/mm2，原始比强度100%，其强度损耗如表2所示。

1.4化学稳定性和耐腐蚀性

玄武岩纤维中含有K2O、MgO和TiO2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。由表3所示，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[6]。

1.5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[7]。

2玄武岩纤维在汽车上的应用

2.1汽车用摩擦增强材料

增强纤维是汽车摩擦材料的一个重要组成部分，纤维的选用对摩擦材料的磨损性能有着重要影响[8]。目前汽车用摩擦增强材料主要有钢纤维、矿物纤维、玻璃纤维、有机纤维及耐高温聚合物纤维等。但是其使用都或多或少的存在一些问题，如石棉粉尘严重污染环境，有致癌作用，直接危害人类健康，现在已被限制使用;钢纤维容易锈蚀，易粘着或损伤对偶材料，使用时容易产生低频噪音;而玻璃纤维材料的磨损大，涉水性不良，噪声高;碳纤维生产的增强材料性能优异，但是其生产成本过高，不利于广泛推广;其他的纤维增强材料，有的浸润性不佳，有的制造工艺复杂。

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。从表4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[9]。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。

2.2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[11]。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%[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。

2.3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[10]，如表5所示。

将玄武岩纤维的隔热吸音材料应用于汽车中，有利于提高汽车与外界的隔音性能，以及降低汽车部件产生的噪音。目前日本正把玄武岩纤维选为最佳材料用于汽车消声器的开发，而每年用于汽车隔音与隔热纤维材料的需求量在10万t以上，因此玄武岩纤维在这方面具有极大的市场开发潜力。

从上述玄武岩纤维的性能可以得出，以玄武岩纤维作为增强体，采用其他材料作为基体，如树脂，或其他热塑性材料，可以制备符合汽车内饰要求的复合材料，该材料不仅机械