2022年2月4日，第24屆冬季奧運(yùn)會(huì)在北京隆重開幕，盛大的開幕式讓世界驚艷，而色彩艷麗、造型別致的冬奧火炬“飛揚(yáng)”更是吸引了全世界的目光。你知道嗎？“飛揚(yáng)”的外殼是上海石油化工股份有限公司研制的，以碳纖維及其復(fù)合材料制作奧運(yùn)火炬，成為世界首創(chuàng)。

近年來，上海石化以小絲束、大絲束碳纖維作為新材料，已經(jīng)在油田抽油桿、橋梁隧道管道補(bǔ)強(qiáng)、設(shè)備耐磨制件等多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，并在一些高端領(lǐng)域取得重大突破，有力提升了我國(guó)碳纖維應(yīng)用水平.除了成功應(yīng)用于冬奧火炬“飛揚(yáng)”的外殼外，還成功應(yīng)用于廣州高速地鐵列車車頭罩，也是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)；用國(guó)產(chǎn)碳纖維纏繞35 MPa氫氣瓶，又是一個(gè)國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。3個(gè)首創(chuàng)，凸顯了上海石化在碳纖維領(lǐng)域的擔(dān)當(dāng)和創(chuàng)新精神。

輕固美火炬，蘊(yùn)含科技冬奧非凡魅力

北京冬奧會(huì)是我國(guó)重要?dú)v史節(jié)點(diǎn)的重大標(biāo)志性活動(dòng)。火炬作為冬奧會(huì)最重要的要素之一，其設(shè)計(jì)和制造被北京冬奧組委列為科技冬奧體現(xiàn)的重點(diǎn)。

中國(guó)石化主動(dòng)請(qǐng)纓，并發(fā)揮旗下上海石化碳纖維生產(chǎn)基地的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，把制造高技術(shù)含量的碳纖維火炬當(dāng)作一項(xiàng)重大使命。同時(shí)，利用研發(fā)制造碳纖維復(fù)合材料火炬外殼的契機(jī)，加快推進(jìn)碳纖維及其復(fù)合材料核心技術(shù)攻關(guān)。

2020年9月底，由上海石化牽頭組織的火炬制作團(tuán)隊(duì)正式拿到火炬樣品，一場(chǎng)協(xié)同創(chuàng)新的攻堅(jiān)戰(zhàn)全面展開，在3個(gè)月內(nèi)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，并形成了兩大科技創(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)。期間，破解了碳纖維復(fù)合材料火炬外殼在1000℃高溫制備過程中起泡、開裂等難題，實(shí)現(xiàn)了在燃燒溫度大于800℃的氫氣燃燒環(huán)境下正常使用，重量較鋁合金外殼輕20%以上，呈現(xiàn)出了“輕、固、美”的特點(diǎn)。二是火炬采用氫氣為燃料，實(shí)現(xiàn)零碳排放。期間，解決了火焰顏色與穩(wěn)定性、高壓儲(chǔ)氫（42 MPa）、減壓供氫裝置、氫能安全利用等多項(xiàng)技術(shù)難題。

經(jīng)過專家鑒定和實(shí)踐證明，碳纖維氫能火炬，安全可靠性高，可抗10級(jí)大風(fēng)和暴雨，能在極寒天氣中使用，減壓比高達(dá)幾百倍。在解決復(fù)雜難題的同時(shí)，兼顧了火炬輕量化、小型化、外形匹配要求。

2021年2月4日，在北京2022冬奧會(huì)倒計(jì)時(shí)一周年活動(dòng)上，名為“飛揚(yáng)”的奧運(yùn)火炬揭開面紗。兼具中華民族傳統(tǒng)特色和現(xiàn)代科技含量的冬奧火炬得到了中央領(lǐng)導(dǎo)、冬奧組委領(lǐng)導(dǎo)的一致認(rèn)可和較高評(píng)價(jià)。

碳纖維車頭罩，助力高速地鐵列車輕量化

被譽(yù)為“粵港澳大灣區(qū)”最快地鐵、最高時(shí)速可達(dá)160 km的廣州地鐵18號(hào)線，2021年9月28日首通段正式開通運(yùn)營(yíng)。擔(dān)任運(yùn)營(yíng)任務(wù)的“灣區(qū)藍(lán)”高速地鐵列車，不僅采用了高鐵動(dòng)車的子彈頭駕駛艙，而且車頭頭罩（開閉罩）采用了輕質(zhì)高強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料，助力列車輕量化，這在國(guó)內(nèi)尚屬首例。

采用炭纖維材料的北京冬奧會(huì)火炬、高速地鐵列車車頭罩和氫氣瓶纏繞（從左至右）

碳纖維及其復(fù)合材料是軌道交通裝備升級(jí)換代發(fā)展的新材料主要方向之一。2019年起，上海石化和中國(guó)中車開展協(xié)同創(chuàng)新，雙方?jīng)Q定，以需求牽引研制，以研制推動(dòng)應(yīng)用，以突破碳纖維復(fù)合材料在軌交領(lǐng)域規(guī)模應(yīng)用關(guān)鍵核心技術(shù)為主線，逐步形成世界領(lǐng)先的“一站式”輕量化技術(shù)解決方案。

雙方在攻關(guān)中，開展了高性能低成本碳纖維及樹脂研發(fā)，形成了高效率可規(guī)?；a(chǎn)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件一體化成型技術(shù)，并對(duì)開發(fā)的碳纖維復(fù)合材料高鐵部件進(jìn)行工藝驗(yàn)證和承載結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)，最終通過運(yùn)用考核評(píng)價(jià)和運(yùn)行測(cè)試，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

據(jù)了解，“灣區(qū)藍(lán)”高速地鐵列車采用了碳纖維這一材料后，減重指標(biāo)大幅提升，并且，由于成型工藝低成本、一體化，將引領(lǐng)下一代高速列車復(fù)合材料前端模塊的技術(shù)革新。

碳纖維氫氣瓶，技術(shù)成熟、安全可靠

隨著中國(guó)石化碳纖維技術(shù)取得重大突破，碳纖維復(fù)合材料在儲(chǔ)氫領(lǐng)域也獲得了重大進(jìn)展，特別是上海石化自主研發(fā)的碳纖維用于纏繞氫氣瓶的制造工藝技術(shù)，在35 MPa的氫氣瓶上已經(jīng)通過檢測(cè)，各項(xiàng)重要指標(biāo)都符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，這代表著35 MPa氫氣瓶技術(shù)已基本成熟，已經(jīng)處于擴(kuò)大應(yīng)用階段，并將在商用車上獲得大規(guī)模應(yīng)用。

普通的氫氣鋼瓶，承壓在20 MPa左右。鋼瓶?jī)?chǔ)存氫氣，容易受到氫氣腐蝕，而且質(zhì)量重、防撞性能差。上海石化經(jīng)過3年時(shí)間，通過對(duì)碳纖維絲束的張力控制、優(yōu)化線性設(shè)計(jì)、內(nèi)膽材料選型等技術(shù)攻關(guān)，制造出的鋁材內(nèi)膽碳纖維纏繞氫氣瓶、樹脂內(nèi)膽碳纖維纏繞氫氣瓶，很好地解決了鋼瓶存在的不足問題，不僅瓶體質(zhì)量減輕了一半左右，而且，經(jīng)高處跌落、撞擊等測(cè)試，安全性得到保證。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)的碳纖維纏繞氫氣瓶，使用的都是進(jìn)口碳纖維。而上海石化制造的氫氣瓶，全部采用自己生產(chǎn)的碳纖維，性能完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，這在國(guó)產(chǎn)成為首家。

2022年，上海石化1.2萬t/a 48K大絲束碳纖維一期項(xiàng)目將建成投產(chǎn)。48K大絲束最大的優(yōu)勢(shì)，就是在相同的生產(chǎn)條件下，可大幅度提高碳纖維單線產(chǎn)能和質(zhì)量性能，并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)低成本化，從而打破碳纖維價(jià)格高昂帶來的應(yīng)用局限。2024年全部建成投產(chǎn)后，將一舉改變我國(guó)大絲束碳纖維全部依賴進(jìn)口、長(zhǎng)期供不應(yīng)求的局面，碳纖維產(chǎn)業(yè)將迎來更加廣闊的應(yīng)用前景。