飘扬在月球背面的国旗用什么纤维织就？

      2024年6月2日，嫦娥六号着陆器和上升器组合体成功着陆于月球背面的南极-艾特肯盆地。在采集了珍贵的月背样品后，6月4日，着陆器展开了一面五星红旗。2019年同样着陆于南极-艾特肯盆地的嫦娥四号所携带的国旗只是贴在着陆器上，而嫦娥六号的插旗是在月球背面首次独立动态展示国旗。

      月球表面是高真空、高低温循环、强剂量紫外辐照的极端环境，普通的纤维难以承受。相比于嫦娥五号携带的芳纶国旗，嫦娥六号的国旗进一步升级，是用“石头”做的，准确来说是用玄武岩纤维和间位芳纶纤维共同织就的，由中国航天科工集团旗下的中国航天三江集团联合武汉纺织大学、湖北汇尔杰玄武岩纤维有限公司、山东泰和新材（芳纶生产企业）、安徽华茂集团（纺织企业）等单位共同研制，使用来自河北张家口蔚县的玄武岩原料。

      由岩石制成的纤维显然具有较高的稳定性，但为什么选择玄武岩为原料呢？

      玄武岩是一种岩浆岩（火成岩），由成分上相对贫硅（二氧化硅占45%~53%）而富镁铁（氧化镁、氧化亚铁、氧化钙、氧化铝占50%左右）的基性岩浆形成（基性是“basic”，在化学上是碱性的意思，与富含二氧化硅的酸性“acidic”相对，但与钠钾含量丰富的“alkali”碱性有所区别，不过如今“basic”已被“mafic”代替，表示“镁铁质”，“acidic”被“felsic”代替，表示富含长石和石英的“长英质”，如花岗岩）。

      基性岩浆是由橄榄石质（(Mg，Fe)2[SiO4]）地幔的部分熔化形成的，但镁铁含量有所降低、硅铝含量升高，冷却结晶后的矿物组成主要为辉石（Ca(Mg,Fe)[(Si,Al)2O6]）、基性斜长石（Ca[Al2Si2O8]-Na[AlSi3O8]）、橄榄石等硅铝酸盐。含铁的辉石呈墨绿色或黑色，因此玄武岩是一种深色岩石，中文名字得名于日本的玄武洞（1884年），追根溯源来自我国古代神话中黑色的玄武形象，玄就是黑色的意思。

      玄武岩是基性岩浆喷出地表后形成的喷出岩。除了形成火山锥、纵横的熔岩流、广袤的熔岩台地等宏大景观，柱状节理亦是不容错过的玄武岩景观。如果熔岩的表面平坦、质地均匀，在从上到下逐渐冷却凝固的过程中，体积发生均匀的收缩，岩石会开裂出六边形网格，上下贯穿岩层，形成紧密排列的石柱群，即为柱状节理。从数学上讲，六边形是能够铺满平面的图形里最接近圆形的，且边长与面积的比值最小（岩石暴露出的表面积最小，开裂所需的能量最低），因此六边形石柱最常见，但受各种因素干扰，实际上也存在四边形、五边形、七边形截面。（照片是我在美国西北部的哥伦比亚高原看到的柱状玄武岩）

      喷出地表的玄武岩其实只是九牛一毛。玄武质岩石构成了大洋地壳（除了表层的玄武岩，基性岩浆在地下浅层和深层凝固所形成的岩石分别被称作辉绿岩和辉长岩），大陆地壳的下地壳也是由玄武岩质岩石构成的，更加富含硅铝的花岗岩质上地壳则由下地壳物质进一步熔化、演变而成（花岗岩是地球所独有的，月球、火星上都不存在）。

       月球是由地球碰撞飞出的碎片凝聚而成的，总体组成上与地球类似。月球上的“月海”就是低洼、暗色的玄武岩平原，由大规模的火山喷发形成。月球早已是一颗死寂的星球，但嫦娥五号选择在月球表面最“年轻”的风暴洋区域着陆，带回距今约20亿年前的岩浆活动所形成的“年轻”玄武岩样品。嫦娥六号着陆的南极-艾特肯盆地则是月球上最古老的撞击坑之一，直径2500公里，深13公里，很可能撞穿了月壳，有望发现来自月幔的物质。

      既然月球上有丰富的玄武岩，那用来自地球的玄武岩制造一面国旗插上月球，就带有推动、验证相关技术的考量，寄托了就地取材建设月球基地的美好畅想。

      从星辰大海回到脚踏实地，玄武岩纤维其实早已在地球上获得了广泛应用。

      玄武岩纤维的抗拉强度达到3000-4000 MPa，相当于钢的好几倍（我国研制的世界最高强度大桥缆索钢丝的强度是2200 MPa），与碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等高性能纤维可比拟，而成本要低得多，在很多场合可以代替昂贵的纤维材料，而且玄武岩纤维还具有耐热性好、化学稳定性高的特点，在废弃之后可以直接进入自然环境而不会造成污染。在化工、环保等领域，玄武岩纤维被用作防火、过滤等功能材料，在土木建筑领域用作保温材料和混凝土、沥青中的增强材料，在纺织行业作为隔热防火的特种面料，在军工领域作为防护材料、吸波材料，更有望制成低成本的复合材料广泛应用于航空航天、风力发电机叶片等。

      玄武岩纤维的原料自然是玄武岩，但是要根据性能要求筛选出成分合适的玄武岩矿石，还得小心天然岩石的成分波动问题。

      经过破碎、清洗的玄武岩矿石被投入熔炉，于1500℃左右熔化成液体。这个温度高于组成玄武岩的辉石、长石等矿物在常规条件下的熔点。但有趣的是，自然界的玄武岩浆的温度只有1000~1200℃左右，这是因为在地下的高温高压环境下，水参与了岩浆形成的过程，极大地降低了熔化温度。

      玄武岩熔体通过多孔拉丝漏板流下（上图为拉丝的起始阶段，要把拉出的细丝引到卷轴上，下图是稳定的连续拉丝，漏板通常由耐高温的铂铑合金制成），凝固成直径仅几微米到几十微米的纤维，卷绕起来。这个过程与制作玻璃纤维是类似的。由于冷却凝固速度非常快，而硅-氧原子间牢固的化学键阻碍了原子的运动（辉石和长石都是硅-氧结合成长链状结构的硅酸盐），因此在玄武岩纤维中原子、离子无法像晶体那样有序排列，得到的是非晶态或者说玻璃态。

      玄武岩纤维表面光滑、易脆断，还需要涂覆浸润剂进行表面改性，改善其集束性、润滑性、抗静电性及防霉性等性能，增强复合材料中纤维和树脂的界面相容性及结合能力等。把玄武岩纤维与芳纶等其他纤维复合，则能实现取长补短的效果，例如在嫦娥六号的国旗面料中，芳纶起到提升涂料的结合牢度的作用。

      玄武岩纤维的历史其实很长，于1840年在英国试制成功，1922年法国人Paul提出了玄武岩连续纤维制造技术并获得专利，但并没有实质性的工业化生产；1954年苏联莫斯科玻璃和塑料研究院开发出了玄武岩连续纤维；1985年乌克兰纤维实验室建成投产第 1 台工业化生产炉，于90年代投入工业化生产。目前玄武岩纤维的主要生产国有乌克兰、俄罗斯、中国、美国、德国、比利时等。

      我国的玄武岩纤维起步较晚，上世纪90年代中期南京玻璃纤维研究设计院最早开始超细玄武岩纤维研究，2002年我国将“连续玄武岩纤维及其复合材料”列入国家863计划，2004年玄武岩纤维开始在上海实现产业化。一旦突破了关键技术，我国玄武岩纤维行业就开始了突飞猛进的发展，如今总产能超6万吨，还在快速增长，年产量约3万吨，占全世界的一半以上。

（湖北汇尔杰公司的玄武岩纤维面料，嫦娥六号国旗所用的玄武岩纤维就是由这家企业提供的）

      从铺路的顽石，到飘扬在月球背面的国旗，玄武岩的华丽转身是我国高性能纤维发展的缩影。欲知更多神奇的纤维，请看：

从化纤到碳纤维，要经历怎样的凤凰涅槃？

织无缝天衣——碳纤维复合材料的制造

比碳纤维更神秘的“有机纤维之王”——芳纶F-12

飞机上的“蜂窝”——芳纶纸蜂窝夹层结构复合材料

谁持白练当空舞——复合材料风电叶片

​      最后，祝愿嫦娥六号平安凯旋，为我们带回月球背面的片羽吉光。

烈火焚身若等闲——航天器热防护材料

解读嫦娥石的科技密码

虽无球差校正眼，但怀扫描透射心

从一闪而过的荧屏画面中解析工业生产流程

破解材料密码，见证中国科技进步

做一个比铁还硬、比钢还强的工业党

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参考资料和主要素材来源：

中央电视台. 《经济信息联播》20231122专精特新·绝活从石头到面料 玄武岩纤维的特殊成衣之旅.

https://tv.cctv.com/2023/11/22/VIDERuwZAnmG1MoeF1za5Mbc231122.shtml

中央电视台. 《东方时空》20200827四川德阳历经十三年艰苦攻关万吨级池窑连续玄武岩纤维生产线投产.

https://tv.cctv.com/2020/08/27/VIDEkpj0JqqT12DgAtpG8ROc200827.shtml

张玮,谭艳君,刘姝瑞,等. 玄武岩纤维的性能及应用. 纺织科学与工程学报,2022,39(1):85-89.

王淼,沈艳琴,武海良. 玄武岩纤维的发展现状及趋势. 纺织导报,2021(5):50-53.