碳纖維火炬“飛揚(yáng)”研發(fā)歷程揭秘

編輯/秦悅

北京2022年冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)火炬不僅擁有“高顏值”，也蘊(yùn)含著不少“黑科技”

在北京2022年冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)的火炬?zhèn)鬟f活動(dòng)中，旋轉(zhuǎn)上升如絲帶飄舞般的火炬“飛揚(yáng)”賺足眼球。火炬“身上”的紅色和金色線條隨轉(zhuǎn)動(dòng)而上下貫通，象征著激情的冰雪賽道，也代表著永恒的火種光明向上，傳遞著人類生生不息，向往和平、追求卓越的期望和奧林匹克運(yùn)動(dòng)的力量。

火炬“飛揚(yáng)”不僅擁有“高顏值”，其內(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)”不僅重量較鋁合金外殼輕 20%以上，而且在嚴(yán)寒的天氣下手握也不會(huì)覺得冰涼。這要得益于“飛揚(yáng)”與眾不同的外殼材料。北京2022年冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)火炬均由中國石油化工集團(tuán)有限公司（以下簡稱“中國石化”）研發(fā)的碳纖維復(fù)合材料制成，破解了碳纖維復(fù)合材料在大于800℃的氫氣燃燒環(huán)境下，耐高溫、耐燃燒等技術(shù)難題。

“織”出來的碳纖維火炬

2020年10月，中國石化上海石油化工股份有限公司（以下簡稱“上海石化”）火炬攻關(guān)團(tuán)隊(duì)拿到設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)3D打印出來的火炬樣品。設(shè)計(jì)師手中的“飛揚(yáng)”，不僅形狀飄逸，還分為內(nèi)飄帶和外飄帶，最終需要將二者完美地卡在一起。

以碳纖維復(fù)合材料制作的奧運(yùn)火炬外殼具有“輕、固、美”的特點(diǎn)?！拜p”即碳纖維復(fù)合材料與相同體積的鋁合金比，輕了20%以上；“固”即具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐高溫、耐摩擦、耐紫外線輻射等特點(diǎn)；“美”即應(yīng)用了具有國際先進(jìn)水平的三維立體編織成型技術(shù)，將高性能纖維編織成具有復(fù)雜形狀的優(yōu)美整體。

如何使碳纖維的火炬外殼既能接受形狀不規(guī)則的挑戰(zhàn)，又能經(jīng)受耐火抗高溫的考驗(yàn)？火炬“飛揚(yáng)”采用的三維編織技術(shù)是碳纖維成型中的一個(gè)技術(shù)突破，每條黑色絲束都包含1.2 萬根碳纖維絲。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。

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?；鹁鎯?nèi)部還有一個(gè)小型的儲(chǔ)氫瓶和減壓閥，可以用來輕松拆卸、更換氣瓶。

由上海石化總牽頭，組織東華大學(xué)、云路復(fù)合材料(上海)有限公司三維編織團(tuán)隊(duì)，負(fù)責(zé)火炬外殼三維編織技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)，使用鐳雕噴涂上色、組裝，最大程度還原火炬靈動(dòng)的外形；與中核集團(tuán)核工業(yè)第八研究所（以下簡稱“核八所”）、庫貝化學(xué)（上海）有限公司合作，研發(fā)碳纖維復(fù)合材料，以滿足火炬耐高溫、耐火燒的需求。另一路，由中國航天科技集團(tuán)有限公司、中國航天科工集團(tuán)有限公司抽調(diào)內(nèi)部研發(fā)單位，分別研發(fā)氫氣火炬、丙烷火炬的內(nèi)飄帶和燃燒系統(tǒng)。[1]

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。

攻克耐燃燒、耐高溫難題

碳纖維如同一層布料，需要“骨架”支撐才能更好塑形，一般樹脂和碳纖維復(fù)合材料只能經(jīng)受200℃左右的溫度，而火炬燃燒口必須經(jīng)受住800℃以上的高溫。[2]

為了解決該問題，上海石化與核八所攜手攻關(guān)，引入高性能樹脂，與碳纖維一起做成碳纖維復(fù)合材料，最后通過工藝調(diào)整，把火炬上半段燃燒端在1000℃以上高溫中進(jìn)行特殊處理，有效解決了在高溫制備過程中火炬外殼起泡、開裂等難題，實(shí)現(xiàn)了燃燒溫度大于800℃氫氣燃燒環(huán)境下的正常使用。

最終，經(jīng)專家鑒定和實(shí)踐檢驗(yàn)，碳纖維氫能火炬安全可靠性高，可抵抗10 級(jí)大風(fēng)和暴雨，能在極寒天氣中使用。同時(shí)，兼顧了輕量化、小型化和外形匹配的要求?；鹁妗帮w揚(yáng)”正式發(fā)布后，因其兼具中華民族傳統(tǒng)特色和現(xiàn)代科技含量，得到了社會(huì)的一致認(rèn)可和較高評(píng)價(jià)。

編織過程中的火炬“飛揚(yáng)”。

量產(chǎn)的挑戰(zhàn)

2021年3月，中國石化以北京2022年冬奧會(huì)官方合作伙伴的身份，承擔(dān)手持火炬量產(chǎn)項(xiàng)目。從制作一把火炬外殼到制作成千上萬把全形態(tài)火炬，其中的困難不亞于火炬外殼的研發(fā)。

經(jīng)過北京冬奧組委、中國石化、上海石化聯(lián)合組織企業(yè)現(xiàn)場考察和樣品測(cè)試驗(yàn)證，最終確定了冬奧火炬各部件加工企業(yè)，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)到交付產(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。

仔細(xì)觀察“飛揚(yáng)”火炬，會(huì)發(fā)現(xiàn)它與北京2008年奧運(yùn)會(huì)開幕式主火炬塔形態(tài)相呼應(yīng)，以祥云紋樣“打底”，自下而上從祥云紋逐漸過渡到象征冬奧會(huì)的雪花圖案，最后在頂端化身為飛揚(yáng)的火焰。如此精美的火炬，不僅僅是工藝品，更是藝術(shù)品。

藝術(shù)品的量產(chǎn)會(huì)遇到效率、質(zhì)量、成本等重重挑戰(zhàn)，其中最大的挑戰(zhàn)是效率問題。為保質(zhì)保量按時(shí)完成量產(chǎn)任務(wù)，上海石化堅(jiān)持邊對(duì)接、邊完善、邊驗(yàn)收、邊量產(chǎn)的工作方案，制訂量產(chǎn)實(shí)施計(jì)劃，從火炬內(nèi)外飄帶各部件的外形，到氫氣瓶樣件、控氫閥、燃燒效果，再到火種燈外觀、操作便捷性等，不斷進(jìn)行完善，終于如期完成量產(chǎn)任務(wù)，1200 余支冬奧會(huì)火炬、600 余支冬殘奧會(huì)火炬順利交付。

碳纖維發(fā)展前景廣闊

近年來，我國碳纖維的生產(chǎn)制備和應(yīng)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從“無”到“有”的突破，迎來了前所未有的產(chǎn)業(yè)化建設(shè)高潮，初步建立起國產(chǎn)碳纖維從制備、工程實(shí)踐、產(chǎn)業(yè)建設(shè)和技術(shù)研發(fā)的完整產(chǎn)業(yè)鏈。經(jīng)過長期研發(fā)攻關(guān)，上海石化成為國內(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)。按照國家對(duì)新材料戰(zhàn)略需求的要求，上海石化堅(jiān)定不移做強(qiáng)做優(yōu)碳纖維及其復(fù)合材料業(yè)務(wù)，除應(yīng)用于冬奧火炬碳纖維外殼外，還成功應(yīng)用于高速地鐵列車碳纖維車頭罩、氫氣瓶碳纖維纏繞等高科技領(lǐng)域。

碳纖維作為“21世紀(jì)新材料之王”，以其優(yōu)秀的綜合性能備受多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域青睞。根據(jù)賽奧碳纖維技術(shù)測(cè)算，2020年，全球前五大應(yīng)用場景占據(jù)近80%的碳纖維需求，其中風(fēng)電葉片的碳纖維需求占比為28.6%、航天航空為15.4%、體育休閑為14.4%、汽車為11.7%、混配模成型為8.9%。中國的碳纖維需求主要由風(fēng)電葉片和體育休閑貢獻(xiàn)，共占據(jù)70.8%。

隨著我國碳纖維技術(shù)突破帶來成本進(jìn)一步下降，碳纖維有望向風(fēng)電、壓力容器、碳/碳復(fù)材等領(lǐng)域進(jìn)一步滲透。作為我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)新材料領(lǐng)域中的重要發(fā)力點(diǎn)之一，碳纖維未來的發(fā)展空間可期。