玄武巖纖維是以天然玄武巖礦石為原料，經(jīng)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(chǎn)成本十分重要。通常采用高溫粘度計(jì)來測定玄武巖熔體的粘度，但面臨著測試步驟復(fù)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(zhǔn)確表征礦石的熔融特性帶來一定挑戰(zhàn)。
 

　　近期，中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所科研團(tuán)隊(duì)與香港理工大學(xué)合作，在玄武巖礦石熔體粘度預(yù)測方面取得進(jìn)展。基于課題組前期的測試結(jié)果和公開報(bào)道的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，科研人員構(gòu)建了涵蓋玄武巖氧化物含量、溫度和熔體粘度等特征的數(shù)據(jù)集合(包括70種玄武巖礦石組成和2849條溫度-粘度數(shù)據(jù))，運(yùn)用數(shù)據(jù)驅(qū)動的人工智能技術(shù)，采用隨機(jī)森林(RF)和梯度提升決策樹(GBDT)兩種機(jī)器學(xué)習(xí)模型，實(shí)現(xiàn)了對玄武巖礦石熔體粘度的準(zhǔn)確預(yù)測。其中，GBDT模型在整個數(shù)據(jù)集上表現(xiàn)更為出色，相對誤差僅為0.04%，決定系數(shù)(用于反映回歸模式可靠程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo))高達(dá)0.99。通過對模型進(jìn)行解釋性分析，科研人員發(fā)現(xiàn)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?yàn)樯鲜鲅趸镌谛鋷r熔體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中扮演著網(wǎng)絡(luò)形成體的角色，進(jìn)而影響熔體的流動特性。
 

　　基于建立的粘度-溫度關(guān)系，科研人員成功預(yù)測了玄武巖熔體成纖的關(guān)鍵溫度參數(shù)，如熔點(diǎn)、最低和最高成纖溫度等。與實(shí)際測試數(shù)據(jù)相比，上述參數(shù)的預(yù)測誤差均在2%以內(nèi)(圖1B)。在該結(jié)果的指導(dǎo)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(qiáng)度可控的玄武巖纖維(圖1B中內(nèi)嵌圖)，其中單絲拉伸強(qiáng)度最高可達(dá)2061MPa，可作為增強(qiáng)材料用于制備風(fēng)機(jī)葉片、光伏支架等。該項(xiàng)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(jù)，也為玄武巖資源的深度開發(fā)和應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。目前科研團(tuán)隊(duì)與新疆當(dāng)?shù)仄髽I(yè)合作，正在建設(shè)年產(chǎn)2萬噸玄武巖纖維生產(chǎn)線。
 

　　上述研究工作近期發(fā)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(yǎng)計(jì)劃和中國科學(xué)院“西部之光”等項(xiàng)目支持。
 

　　圖1. 數(shù)據(jù)驅(qū)動的玄武巖礦石高溫粘度預(yù)測結(jié)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(yù)測與實(shí)測結(jié)果對比圖，內(nèi)嵌圖為獲得的玄武巖纖維掃描電子顯微鏡照片)