石頭拉絲做衣服？玄武巖礦石熔體粘度預測與成纖領域新突破

棉、混紡、化纖、真絲……市面上的服裝材質五花八門，但你見過石頭拉絲做的衣服嗎？這種特殊的石頭就是玄武巖，天然玄武巖礦石經高溫熔融拉制后，就會變成強度高、密度低的玄武巖纖維。

近日，中國科學院新疆理化技術研究所科研團隊與香港理工大學合作，在玄武巖礦石熔體粘度預測方面取得進展，相關成果發表于《非結晶固體雜志》。

然而，要想降低玄武巖纖維生產成本，提高性能和質量，必須把控好玄武巖礦石的熔體成纖溫度以及高溫熔融的過程，因此，明確玄武巖熔體的粘度至關重要。此前，學界通常采用高溫粘度計來測定玄武巖熔體的粘度，但存在測試步驟復雜、耗時長等不足。同時，作為一種天然礦物，玄武巖礦石含有多種氧化物，且組分含量波動較大，這給準確表征礦石的熔融特性帶來較大挑戰。

針對以上問題，研究團隊基于前期的測試結果和公開報道的文獻數據，構建了涵蓋玄武巖氧化物含量、溫度和熔體粘度等特征的數據集合，涵蓋70種玄武巖礦石組成和2849條溫度-粘度數據，運用數據驅動的人工智能技術，采用隨機森林（RF）和梯度提升決策樹（GBDT）兩種機器學習模型，實現了對玄武巖礦石熔體粘度的準確預測。

在整個數據集上GBDT模型的表現更為出色，相對誤差僅為0.04%，用于反映回歸模式可靠程度的統計指標的決定系數則高達0.99。通過對模型進行解釋性分析，研究團隊發現玄武巖礦石中硅、鐵、鎂等金屬氧化物組成對粘度的影響尤為顯著，主要由于上述氧化物在玄武巖熔體網絡結構中扮演著網絡形成體的角色，進而影響熔體的流動特性。

此外，基于建立的粘度-溫度關系，研究團隊成功預測了玄武巖熔體成纖的關鍵溫度參數，如熔點、最低和最高成纖溫度等，與實際測試數據相比，誤差均在2%以內。

基于以上研究成果，研究團隊以東天山山脈的多種玄武巖礦石為原料，成功拉制出直徑和強度可控的玄武巖纖維，其中單絲拉伸強度最高可達2061MPa，可作為增強材料用于制備風機葉片、光伏支架等。

值得一提的是，該項研究不僅為高性能玄武巖纖維的熔融成纖工藝提供了理論依據，也為玄武巖資源的深度開發和應用提供了技術支撐。目前研究團隊與新疆當地企業合作，正在建設年產2萬噸玄武巖纖維生產線。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2024.123302