玄武岩纳米导电超轻材料推广应用前景与措施

    为克服传统金属材料因比重大而影响装备及结构轻量化的弊病，作为核电、海洋、航空航天、轨道交通等重大工程的所占质量比重较大的一类结构材料，新一代电缆桥架正在进行一场“以塑代钢”的行业革命。目前传统的电缆桥架产品的材质多为低碳钢、铝合金、不锈钢这三类，其中 Q235低碳钢以其良好的机械性能、焊接性能以及易加工性能，成为目前桥架行业中用量很多也很普遍的金属材料，但也同样存在以下弊端：（1）作为桥架成本的主要来源，Q235 低碳钢的价格受市场波动影响较大，且作为非再生自然资源，严重影响了桥架产业的可持续稳定发展，也不利于产品高附加值的提升；（2）由于 Q235 低碳钢本身防腐能力差，常需要对其进行高污染的热浸镀锌工艺处理，不符合我国低污染绿色环保的产业发展趋势；（3）在环境温度高于 200℃或低于 40℃时，Q235 钢材易发生机械性能变化，且一旦电缆周围环境发生火灾，钢制桥架的温度很快传递给电缆,会引起电缆损伤，严重限制了其在苛刻温度环境中的应用；（4）在酸、碱、潮湿环境中，Q235 钢材腐蚀较快，严重制约了其在海洋环境中的应用，特别地，对于核电领域用的镀锌型传统金属电缆桥架，由于表层锌防腐层的存在，即使微量硼酸溅其表面，也会在核电环境下发生剧烈的产氢反应并造成严重的后果，故传统镀锌电缆桥架已不能满足核电场景下的安全性要求。而且，目前的传统金属桥架行业，主要是对原材料进行一些简单的机械加工和表面处理，钢铁等原材料的成本占其总成本的 82%左右，消耗了大量的钢铁、锌等自然资源，产品附加价值相对较低。
    相较之下，玄武岩纤维的拉伸强度较玻璃纤维高，极限应变较碳纤维大，与耐酸碱树脂具有优异的纤维/树脂界面粘结性能。如果以玄武岩纤维复合材料代替传统低碳钢桥架材料，将有望解决电缆桥架的轻量化问题。但国内目前尚未有任何关于玄武岩纤维增强复合材料在电缆桥架材料中的应用报道，其原因在于传统玄武岩纤维增强树脂所制备的复合材料的体积电阻较大，即使浸水后仍可保持高绝缘等级，如果将高绝缘性的玄武岩纤维增强复合材料直接用于电缆桥架材料，电流在电缆输送的过程中易产生电流漩涡，或者磁场干干扰，不仅影响信号的传输，甚至在低静电高电压环境中容易发生爆炸危险，根据《建筑电气工程施工质量验收规范》GB50303-2002 规定，电缆桥架全长保证接地导通良好，如果没有在电缆桥架上敷设接地线（扁钢或裸铜线），桥架连接处应有保证接地导通良好的措施，因此，尽管非金属电缆桥架可凭借非镀锌手段即可实现防腐，提高其在核电领域的应用安全性，但对导电性要求较高的电缆桥架等重大工程结构领域，具备金属级别的导电性是玄武岩纤维增强复合材料在实现金属替代过程中所面临的首要关键技术难题。
    综上所述，本项目研究的“可导电玄武岩纤维增强纳米复合材料的关键制备技术”对于解决核电、海洋、航空航天等重大工程对于结构材料的轻量化问题具有重要的实用价值，对支撑相关领域内的重大工程实施或重大设备研发具有至关重要的作用。
轻量化纤维增强复材在 2023 年全球规模约 200 亿美元，我国约占其中五成。2023 年，全球纤维复材需求总重为 18.2 万吨，市场规模约 200 亿美元，分下游来看，航空航天、体育休闲、玻纤复材、风电叶片价值量占比分别为 46%、20%、14%、5%，销售均价分别为 360、138、215、21 美元/kg，前三者分别是风电叶片销售均价的 17、7、10 倍，不同下游复材均价梯度较原材料均价梯度更大，体现了不同领域复材设计及制造附加值的差异。从均价来看，整体而言我国玄武岩纤维及碳纤维复材与全球市场均价相近，但航空航天领域产品均价约是全球该领域均价的 3 倍，其中主要原因在于国外在高端复材领域对我国实行了严苛的技术封锁及价格策略。但是，随着我国大飞机产业逐渐崛起，作为技术含量与附加值高的复材品种，玄武岩纤维增强树脂复材在民用航空中的应用将有望以更快的速度发展；
    受益于我国新能源产业蓬勃发展，玄武岩纤维增强树脂复材在风电叶片领域也将快速替代玻纤复材而获得应用；而轨道交通作为我国的优势产业之一，玄武岩纤维增强复材凭借其轻量化优势，未来有望起量，而且，基于玄武岩纤维增强复合材料优异的综合性能和成本优势，在重大工程领域用的玄武岩纤维增强复合材料复杂结构的设计及制造附加值更高。