玄武巖纖維在汽車行業上的應用前景

吳劍青 鐘智麗

(天津工業大學紡織學院，天津，300387)

玄武巖纖維在汽車行業上的應用前景

吳劍青 鐘智麗

(天津工業大學紡織學院，天津，300387)

介紹了玄武巖纖維的特性，列舉玄武巖纖維優良的隔音性能、高熱穩定性、高溫過濾性，闡述玄武巖纖維在汽車用摩擦材料、過濾材料和內飾材料等領域上的應用前景。

玄武巖纖維，汽車材料，綠色環保

近幾年來，隨著石油、鋼材等不可再生資源的加速消耗，使得資源開發變得愈加緊張，按照當今的開采及耗損量，保守估計，石油及鋼材只能維持30～50年。因此，開發可替代鋼材的材料顯得尤為重要。在50年代末，就有人提出以石代鋼的想法，自70年代，玄武巖纖維的成功研發，使得這一想法得以實現。

玄武巖纖維具有力學性能佳，耐高溫性能好，化學性能穩定，生產過程環保等優點。玄武巖纖維復合材料的性能遠遠比鋼材優異，而其重量卻遠小于鋼材，將其應用于汽車上，可以大大的減輕汽車的負重，從而降低能源消耗，而其性能又能得以極大的提升。玄武巖纖維制品具有可自然降解性，與環境相容性好的優點，既符合汽車材料向著高性能發展的要求，也符合國家對于汽車材料綠色環保的要求，在汽車行業中有著良好的應用前景［1-4］。

1 玄武巖纖維的優異特性

1.1 力學性能

玄武巖纖維的密度為2.5 ～2.7 g/cm3，拉伸強度為3 000～3 500 MPa，彈性模量為100～150 GPa，斷裂伸長為 3.2%，莫氏硬度為6.5 ～7.5°，因此它具有優異的耐磨、抗拉增強性能。加拿大一家公司研制生產的玄武巖連續纖維其拉伸強度達到4 840 MPa，接近于高強碳纖維，而其成本卻遠低于碳纖維。

1.2 吸音性能

玄武巖纖維具有優異的吸聲性能，將其制品在不同音頻下的吸音系數進行實驗得出，隨著頻率的增加，它的吸聲系數顯著增加［5］。如選用材料直徑1～3 μm的玄武巖纖維制成的(密度為15 kg/m3，厚度為30 mm)吸音材料，其吸音性能見表1。

表1 玄武巖纖維吸音材料的吸音性能

1.3 高熱穩定性

玄武巖纖維及其制品可以在600℃條件下使用，而玻璃纖維在相同條件下的使用溫度一般不超過400℃。采用無機粘合劑制造的玄武巖纖維隔熱材料可以在700℃條件下使用。此外，玄武巖礦石的成分比例的調整能夠制成可在800℃下工作的耐高溫材料。玄武巖纖維制成的過濾器可以在400～650℃溫度區間內對壓力為234～254 kg/mm2的空氣進行過濾，試樣1、試樣2、試樣3的壓力分別為234、240和254 kg/mm2，原始比強度100%，其強度損耗如表2所示。

表2 玄武巖纖維制品熱穩定性

1.4 化學穩定性和耐腐蝕性

玄武巖纖維中含有K2O、MgO和TiO2等成分，而這些成分對纖維的耐化學腐蝕及防水性能起相當重要的作用。由表3所示，玄武巖纖維與玻璃纖維的化學穩定性相比更顯優勢，特別是在堿性和酸性介質中更加明顯［6］。

表3 玄武巖纖維與玻璃纖維在H2O、HCl、NaOH中浸泡質量損耗百分比

1.5 綠色環保性

玄武巖礦石在熔化過程中不產生硼和其它堿金屬氧化物等有害氣體，因此其制造過程對環境沒有污染。且玄武巖纖維能夠自動降解成為土壤的母質，克服了傳統材料在廢棄過程中需消耗大量的能源和污染環境等缺點，故玄武巖纖維是21世紀又一種新型的環保型無機纖維［7］。

2 玄武巖纖維在汽車上的應用

2.1 汽車用摩擦增強材料

增強纖維是汽車摩擦材料的一個重要組成部分，纖維的選用對摩擦材料的磨損性能有著重要影響［8］。目前汽車用摩擦增強材料主要有鋼纖維、礦物纖維、玻璃纖維、有機纖維及耐高溫聚合物纖維等。但是其使用都或多或少的存在一些問題，如石棉粉塵嚴重污染環境，有致癌作用，直接危害人類健康，現在已被限制使用;鋼纖維容易銹蝕，易粘著或損傷對偶材料，使用時容易產生低頻噪音;而玻璃纖維材料的磨損大，涉水性不良，噪聲高;碳纖維生產的增強材料性能優異，但是其生產成本過高，不利于廣泛推廣;其他的纖維增強材料，有的浸潤性不佳，有的制造工藝復雜。

玄武巖纖維不僅強度高、熱穩定性好、不易損傷對偶、磨損低、摩擦系數穩定，而且價格適宜。從表4可以看出，玄武巖纖維的材料密度適中，其拉伸強度與玻璃纖維相當，且玄武巖纖維增強摩擦材料的耐磨性高于石棉纖維、鋼纖維和玻璃纖維。通過對玄武巖短切纖維增強制動片的性能檢測，認為其具有高溫摩擦系數穩定、熱衰退小和制動噪音低等特點，適合作為摩擦材料的主增強材料［9］。該材料有利于解決傳統汽車制動器出現的“熱衰退”現象，進而減少交通事故的產生。西班牙GALFER公司已成功開發以玄武巖纖維作為主增強纖維來生產的1052系列摩托車剎車片。因此，玄武巖纖維應用于摩擦增強材料既有利于增加汽車摩擦材料的壽命，提高摩擦材料的使用溫度，又能解決當前摩擦材料的存在的各種不利因素。采用玄武巖纖維制成的耐高溫結構復合材料，用于汽車制動器、離合器等磨擦增強材料，既為汽車的高速化發展助力，又有利于提升汽車的安全性能，其開發具有廣闊的市場前景。

表4 不同纖維及其增強酚醛樹脂基摩擦材料的性能

2.2 汽車用高溫過濾材料

目前汽車用過濾材料主要使用的纖維有粘膠纖維，聚酯纖維，以及聚烯烴纖維，主要用于發動機進氣過濾和車倉空氣過濾還有汽車尾氣凈化過濾。但是這些纖維存在著耐熱效果不好，尤其是尾氣過濾中，使用壽命不長。其中聚酯纖維和聚烯烴纖維，均來自于石油產業，而石油是一種不可再生資源，因此尋求一種可再生的高性能的纖維成為當前的重點。

玄武巖纖維的力學性能遠遠超過于聚酯纖維和聚烯烴纖維，且其耐酸堿性能遠遠超過這兩種纖維，使用玄武巖纖維制成的過濾材料具有耐破度高，抗張強度好，性價比高，能完全降解以及優良過濾性能，是未來高溫過濾材料的首推材料［11］。玄武巖纖維汽車過濾材料能夠在高溫條件下將汽車尾氣中的固體粒子過濾分離開來，降低汽車尾氣對城市污染，且其過濾材料具有在高溫條件下長時間使用，而性能保持穩定的優點。俄羅斯與烏克蘭用連續玄武巖纖維制成的過濾布在900℃的高溫下，連續玄武巖纖維的質量損耗僅為12%［12］。玄武巖纖維汽車用過濾材料的應用，符合新世紀環保的要求，也有利于滿足人們追求高性能汽車的要求。

2.3 汽車內飾材料

汽車用內飾材料主要有皮質內飾、金屬內飾、塑料內飾、紡織品內飾等等。其應用范圍主要包括汽車內部的頂棚、門襯板、地氈、座椅、安全帶、隔音氈、行李倉襯墊、密封過濾氈等大約四十多個部件。要求內飾材料必須具有高剛度、輕量化、阻燃、低成本，且不污染環境。目前應用較多的內飾材料普遍存在強度不夠，受熱易揮發對人體有害的氣體，以及減振、隔熱、吸音性能較差，特別是材料的聲阻性能和降低噪音性能低于行業所要求的水平，因此開發新型的具有遇熱不揮發有害氣體，且耐熱、吸音、機械性能高的材料具有十分重要的意義。

與內飾材料中使用較為廣泛的玻璃纖維相比，玄武巖纖維的吸音及耐熱性能遠大于E-玻璃纖維［10］，如表5所示。

表5 玄武巖纖維與E-玻璃纖維性能比較

將玄武巖纖維的隔熱吸音材料應用于汽車中，有利于提高汽車與外界的隔音性能，以及降低汽車部件產生的噪音。目前日本正把玄武巖纖維選為最佳材料用于汽車消聲器的開發，而每年用于汽車隔音與隔熱纖維材料的需求量在10萬t以上，因此玄武巖纖維在這方面具有極大的市場開發潛力。

從上述玄武巖纖維的性能可以得出，以玄武巖纖維作為增強體，采用其他材料作為基體，如樹脂，或其他熱塑性材料，可以制備符合汽車內飾要求的復合材料，該材料不僅機械性能優良，而且隔熱性能與吸音性能也很優異，符合當前汽車用內飾材料的發展趨勢，具有廣闊的應用前景。

3 結語

當前汽車用紡織品現有的摩擦材料、過濾材料和內飾材料已經無法滿足實際應用要求，急需開發新的高性能的汽車材料。玄武巖纖維的綜合性能非常優異，其優秀的耐高溫性能、化學穩定性能、隔音性能、高熱穩定性等均可以在汽車材料領域發揮重要的作用，充分利用玄武巖纖維的優勢開發新型的汽車材料，既順應了世界發展綠色新材料的要求，又能大大提高汽車的使用價值，為汽車行業創造更高的效益。

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The potential applications of basalt fiber in automotive industry

Wu Jianqing，Zhong Zhili
(College of Textiles，Tianjin Polytechnic University)

The advantages of basalt fiber were introduced，such as strength，durability，sound insulation，thermal insulation，fire resistance，hardness and so on.Hence，it was proposed to apply basalt assembly in automotive components，including break disc，filter wool，and interior decoration boards.

basalt fiber，automotive material，environment conservation

TS102.5

A

1004－7093(2012)04－0026－03

2011－12－14

吳劍青，男，1987年生，在讀碩士研究生。主要從事紡織材料和紡織品的設計與研究。