隨著北京冬奧會(huì)的臨近，奧運(yùn)火炬“飛揚(yáng)”日漸為人熟知，除了優(yōu)雅美觀的外形，內(nèi)在也蘊(yùn)含著不少“黑科技”。作為全球首次以碳纖維復(fù)合材料制作的奧運(yùn)火炬，“飛揚(yáng)”的外殼不僅要耐火抗高溫，還要能在極寒天氣中使用。

“你們摸一摸看，‘飛揚(yáng)’的手感很好，天氣這么冷，握著卻不覺得冰涼。”中石化上海石化創(chuàng)新研究院總經(jīng)理林生兵向記者展示時(shí)，特別強(qiáng)調(diào)“飛揚(yáng)”與眾不同的外殼材料，“外殼所用的碳纖維復(fù)合材料，質(zhì)量只有鋼的四分之一左右，但是強(qiáng)度卻是鋼的7到9倍�！�

外殼：碳纖維“織毛衣”成型

時(shí)間追溯到2020年6月，林生兵突然接到一則上級(jí)通知：應(yīng)冬奧組委要求，為火炬“飛揚(yáng)”研制碳纖維外殼。

“2008年北京奧運(yùn)會(huì)的‘祥云’火炬是金屬外殼，性能穩(wěn)定但觸感很冷�！绷稚�兵表示，冬奧會(huì)火炬?zhèn)鬟f正是嚴(yán)寒之時(shí)，傳統(tǒng)金屬材料手感不好，碳纖維的復(fù)合材料則可以避免這一問題，“碳纖維的質(zhì)量只有鋼的四分之一左右，但是強(qiáng)度是鋼的7至9倍。碳纖維的自重輕又牢固摔不壞的特性，特別適合火炬的制作材料�！�

據(jù)了解，北京冬奧組委面向全社會(huì)公開征集火炬外觀設(shè)計(jì)，一共收到182件應(yīng)征作品，最終經(jīng)過設(shè)計(jì)和燃燒方面等專家們的反復(fù)遴選、評(píng)審，最終確定了一種內(nèi)外飄帶結(jié)合的火炬造型，命名為“飛揚(yáng)”，成為2022年冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)的火炬設(shè)計(jì)方案。按照北京冬奧會(huì)綠色奧運(yùn)和科技奧運(yùn)的指導(dǎo)思想，確定氫能和碳纖維成為2022年冬奧會(huì)火炬的努力方向。

由于上海石化碳纖維生產(chǎn)基地具有產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，中石化將制造碳纖維火炬當(dāng)作一項(xiàng)重大使命交給了上海。中石化上海石化公司副總經(jīng)理黃翔宇介紹，本次火炬采用了三維編織技術(shù)，這是碳纖維成型當(dāng)中的一個(gè)技術(shù)突破，每一條黑色絲束都包含著12000根碳纖維絲。經(jīng)過三維立體編織，最終就像“織毛衣”一樣織成了火炬外殼，看不出任何接縫與孔隙，整個(gè)造型渾然一體。

看似簡(jiǎn)單的火炬外殼，內(nèi)部卻大有乾坤。林生兵告訴記者，火炬主要分為三個(gè)部分：外飄帶、內(nèi)飄帶和氫氣燃燒裝置。最外面一層稱為“外飄帶”，由碳纖維與高溫阻燃樹脂的合成材料構(gòu)成，里面還有一層內(nèi)殼“內(nèi)飄帶”，用的是鋁合金材質(zhì)，燃燒口就在內(nèi)外殼之間。而火炬內(nèi)部還有一個(gè)小型的儲(chǔ)氫瓶和減壓閥，可以輕松拆卸用來(lái)?yè)Q氣瓶�！皽p壓閥、儲(chǔ)氫氣瓶屬世界難題，‘飛揚(yáng)’使用氫氣燃燒，需要在一虎口的距離，將瓶?jī)?nèi)壓力從420公斤力/平方厘米減至接近標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（約等于1公斤力/平方厘米），且保持穩(wěn)定流量，難度可想而知�！�

意外：火炬外殼展示時(shí)躥起火苗

相比之下，碳纖維復(fù)合材料的“先天不足”更是困擾林生兵許久，甚至差點(diǎn)因此放棄這一“黑科技”。

記者了解到，碳纖維就好比一層布料，需要“骨架”支撐才能更好塑形，但是一般樹脂和碳纖維復(fù)合材料只能經(jīng)受200攝氏度左右的溫度，而火炬燃燒口則必須經(jīng)受住800攝氏度以上的高溫。

哪里能找到耐高溫材料成了當(dāng)務(wù)之急。他們先找到研究陶瓷材料的教授，對(duì)方建議在碳纖維上涂陶瓷。經(jīng)過幾次交流和論證，林生兵等團(tuán)隊(duì)成員認(rèn)為這“既不可行，也不好看”。沒想到，最終在上海石化的“鄰居”——金山二工區(qū)一家企業(yè)找到了解決方案。

庫(kù)貝化學(xué)（上海）有限公司是一家僅有14名員工的創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)，他們花費(fèi)5年時(shí)間研發(fā)出的第三代聚硅氮烷樹脂，最高能經(jīng)受住1200攝氏度的高溫，而氫氣燃燒溫度一般為800攝氏度，完全能勝任火炬外殼材料的要求。

“傳統(tǒng)的耐高溫材料一般是無(wú)機(jī)的，沒有附著力無(wú)法形成涂層，聚硅氮烷樹脂是有機(jī)和無(wú)機(jī)的復(fù)合材料，既能保證耐高溫，又有良好的附著力。”庫(kù)貝化學(xué)總經(jīng)理劉章友告訴記者，最開始的方案是普通樹脂和碳纖維合成材料外加上聚硅氮烷樹脂涂層，由于熱傳導(dǎo)等問題只能推倒重來(lái)，最后確定由聚硅氮烷樹脂直接與碳纖維合成新材料的方案。

不過，在林生兵帶著新材料外殼向冬奧組委匯報(bào)展示時(shí)卻遭遇意外。火炬點(diǎn)火后，外殼竟出現(xiàn)兩個(gè)火焰點(diǎn)，還躥起一股小火苗，且有起泡、開裂現(xiàn)象。面對(duì)這一“翻車”，他們綜合判斷是外殼成型溫度不到位，且速度過快產(chǎn)生熱脹冷縮。經(jīng)過不斷調(diào)試，林生兵團(tuán)隊(duì)攻克了碳纖維復(fù)合材料耐燃燒、耐高溫的重大難題，“飛揚(yáng)”奧運(yùn)火炬也順利誕生。

很快，一個(gè)集火炬外殼、內(nèi)飄帶、燃燒系統(tǒng)、火種燈、終端檢測(cè)、交付產(chǎn)品為一體的總流程，在上海、北京、江蘇、廣東、河北等五大基地迅速建立并快速運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。面對(duì)時(shí)間緊、任務(wù)重、要求高，上海石化保持和北京冬奧組委、中石化冬奧辦的密切溝通，從火炬內(nèi)外飄帶各部件的外形、棱角、顏色、裝配，到氫氣瓶樣件、控氫閥、燃燒效果，再到火種燈外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、操作便捷性，等等，都在深化設(shè)計(jì)、優(yōu)化工藝中得到完善，同時(shí)保證了火炬量產(chǎn)的工作進(jìn)度。

去年9月22日，上海石化向冬奧組委正式交付115支丙烷火炬及火種燈、引火棒等部分周邊產(chǎn)品，順利完成冬奧組委交付的首批量產(chǎn)任務(wù)。

未來(lái)：火炬技術(shù)可用在汽車上

在火炬外殼研制的3個(gè)月內(nèi)，上海石化及其合作團(tuán)隊(duì)逐一攻克多項(xiàng)技術(shù)難題，形成了從碳纖維生產(chǎn)、復(fù)合材料制備到產(chǎn)品終端應(yīng)用的一站式解決方案，解決了碳纖維復(fù)合材料耐高溫、耐燃燒，以及采用氫氣為燃料這兩大難題，并形成了三項(xiàng)科技創(chuàng)新亮點(diǎn)：一是以碳纖維復(fù)合材料制作火炬外殼，成為世界首創(chuàng)。二是碳纖維復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了燃燒溫度大于800攝氏度氫氣燃燒環(huán)境下正常使用。三是重量較鋁合金外殼輕20%以上，呈現(xiàn)出了“輕、固、美”的特點(diǎn)。

據(jù)介紹，碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，被譽(yù)為“黑黃金”、21世紀(jì)新材料之王，有著廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景，但是碳纖維卻有著森嚴(yán)的技術(shù)壁壘。此前，只被日本、美國(guó)等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家掌握，但經(jīng)過長(zhǎng)期研發(fā)攻關(guān)，上海石化成為國(guó)內(nèi)首家、全球第四家掌握碳纖維大絲束產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的企業(yè)。

上海石化從2008年開始開展碳纖維技術(shù)攻關(guān)，承擔(dān)完成多項(xiàng)國(guó)家“863”“973”計(jì)劃和中國(guó)石化重大課題，形成從原絲、預(yù)氧化、碳纖維到復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈的創(chuàng)新能力，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)成套技術(shù)，中國(guó)石化已申請(qǐng)?zhí)祭w維相關(guān)專利274項(xiàng)、授權(quán)165項(xiàng)，居國(guó)內(nèi)第一、全球第三。當(dāng)前，上海石化正全力推進(jìn)2.4萬(wàn)噸/年原絲、1.2萬(wàn)噸/年48K大絲束碳纖維、百噸級(jí)高性能碳纖維等項(xiàng)目建設(shè)，加快打造碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)集群優(yōu)勢(shì)。

冬奧會(huì)火炬外殼碳纖維復(fù)合材料的研發(fā)過程，既是挑戰(zhàn)也是機(jī)遇。黃翔宇表示，無(wú)論是飛機(jī)，還是光伏熱場(chǎng)材料，以及海上風(fēng)電的風(fēng)電葉片，未來(lái)都將有碳纖維的應(yīng)用�！半S著新能源車的輕量化，汽車外殼也可以用碳纖維來(lái)做，我國(guó)碳纖維和碳纖維復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)發(fā)展非�？欤瑢�來(lái)我們還在研究火炬之后，這個(gè)材料可以用在其他更有用的地方。”

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