【儀表網 研發快訊】玄武巖纖維是以天然玄武巖礦石為原料，經高溫熔融拉制而成的纖維材料。玄武巖熔體的粘度對于控制礦石熔融過程、明確熔體成纖溫度、降低纖維生產成本十分重要。通常采用高溫粘度計來測定玄武巖熔體的粘度，但面臨著測試步驟復雜、耗時長等不足。此外，作為一種天然礦物，玄武巖礦石中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一定挑戰。
近期，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。基于課題組前期的測試結果和公開報道的文獻數據，科研人員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(包括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。其中，GBDT模型在整個數據集上表現更為出色，相對誤差僅為0.04%，決定系數(用于反映回歸模式可靠程度的統計指標)高達0.99。通過對模型進行解釋性分析，科研人員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(圖1A)，這主要是因為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。
基于建立的粘度-溫度關系，科研人員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，上述參數的預測誤差均在2%以內(圖1B)。在該結果的指導下，科研人員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(圖1B中內嵌圖)，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。該項研究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。目前科研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。
上述研究工作近期發表在《非晶固體》雜志上，研究工作得到新疆“天池英才”、“天山英才”培養計劃和中國科學院“西部之光”等項目支持。
圖1. 數據驅動的玄武巖礦石高溫粘度預測結果(A：礦石中氧化物組成影響熔體粘度的相對重要性；B：玄武巖熔融成纖特征溫度預測與實測結果對比圖，內嵌圖為獲得的玄武巖纖維掃描電子顯微鏡照片)。
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