石头拉丝做衣服？玄武岩矿石熔体粘度预测与成纤领域新突破

棉、混纺、化纤、真丝……市面上的服装材质五花八门，但你见过石头拉丝做的衣服吗？这种特殊的石头就是玄武岩，天然玄武岩矿石经高温熔融拉制后，就会变成强度高、密度低的玄武岩纤维。

近日，中国科学院新疆理化技术研究所科研团队与香港理工大学合作，在玄武岩矿石熔体粘度预测方面取得进展，相关成果发表于《非结晶固体杂志》。

然而，要想降低玄武岩纤维生产成本，提高性能和质量，必须把控好玄武岩矿石的熔体成纤温度以及高温熔融的过程，因此，明确玄武岩熔体的粘度至关重要。此前，学界通常采用高温粘度计来测定玄武岩熔体的粘度，但存在测试步骤复杂、耗时长等不足。同时，作为一种天然矿物，玄武岩矿石含有多种氧化物，且组分含量波动较大，这给准确表征矿石的熔融特性带来较大挑战。

针对以上问题，研究团队基于前期的测试结果和公开报道的文献数据，构建了涵盖玄武岩氧化物含量、温度和熔体粘度等特征的数据集合，涵盖70种玄武岩矿石组成和2849条温度-粘度数据，运用数据驱动的人工智能技术，采用随机森林（RF）和梯度提升决策树（GBDT）两种机器学习模型，实现了对玄武岩矿石熔体粘度的准确预测。

在整个数据集上GBDT模型的表现更为出色，相对误差仅为0.04%，用于反映回归模式可靠程度的统计指标的决定系数则高达0.99。通过对模型进行解释性分析，研究团队发现玄武岩矿石中硅、铁、镁等金属氧化物组成对粘度的影响尤为显著，主要由于上述氧化物在玄武岩熔体网络结构中扮演着网络形成体的角色，进而影响熔体的流动特性。

此外，基于建立的粘度-温度关系，研究团队成功预测了玄武岩熔体成纤的关键温度参数，如熔点、最低和最高成纤温度等，与实际测试数据相比，误差均在2%以内。

基于以上研究成果，研究团队以东天山山脉的多种玄武岩矿石为原料，成功拉制出直径和强度可控的玄武岩纤维，其中单丝拉伸强度最高可达2061MPa，可作为增强材料用于制备风机叶片、光伏支架等。

值得一提的是，该项研究不仅为高性能玄武岩纤维的熔融成纤工艺提供了理论依据，也为玄武岩资源的深度开发和应用提供了技术支撑。目前研究团队与新疆当地企业合作，正在建设年产2万吨玄武岩纤维生产线。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2024.123302