玄武岩纤维是以天然玄武岩矿石为原料，经高温熔融拉制而成的纤维材料。玄武岩熔体的粘度对于控制矿石熔融过程、明确熔体成纤温度、降低纤维生产成本十分重要。通常采用高温粘度计来测定玄武岩熔体的粘度，但面临着测试步骤复杂、耗时长等不足。此外，作为一种天然矿物，玄武岩矿石中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一定挑战。

近期，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。基于课题组前期的测试结果和公开报道的文献数据，科研人员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（包括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。其中，GBDT模型在整个数据集上表现更为出色，相对误差仅为0.04%，决定系数（用于反映回归模式可靠程度的统计指标）高达0.99。通过对模型进行解释性分析，科研人员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（图1A），这主要是因为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。

基于建立的粘度-温度关系，科研人员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，上述参数的预测误差均在2%以内（图1B）。在该结果的指导下，科研人员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（图1B中内嵌图），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。该项研究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。目前科研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。

上述研究工作近期发表在《非晶固体》杂志上，研究工作得到新疆“天池英才”、“天山英才”培养计划和中国科学院“西部之光”等项目支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2024.123302

图1. 数据驱动的玄武岩矿石高温粘度预测结果（A：矿石中氧化物组成影响熔体粘度的相对重要性；B：玄武岩熔融成纤特征温度预测与实测结果对比图，内嵌图为获得的玄武岩纤维扫描电子显微镜照片）。