冬奧火炬外殼、高速地鐵列車、氫氣瓶中石化神器碳纖維

文／胡擁軍

●氫氣瓶碳纖維，中國(guó)造！ 供圖/上海石化

盤點(diǎn)2021年的中國(guó)石化碳纖維應(yīng)用技術(shù)，有三大突破：成功應(yīng)用于冬奧火炬“飛揚(yáng)”外殼，成為世界首創(chuàng)；成功應(yīng)用于廣州高速地鐵列車的車頭罩，成為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)；成功應(yīng)用于35兆帕氫氣瓶纏繞，又成國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。三個(gè)首創(chuàng)，凸顯了中國(guó)石化在碳纖維領(lǐng)域的擔(dān)當(dāng)和創(chuàng)新精神。

在中國(guó)石化的決策部署下，上海石化于2008年11月建成中試裝置，2009年3月成功研制出12K原絲，2012年9月建成年產(chǎn)500噸碳纖維生產(chǎn)線，2018年3月成功試制出了國(guó)內(nèi)真正意義上的48K大絲束碳纖維。

“輕固美”火炬

“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)?；鹁孀鳛槎瑠W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。他們?cè)?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)。其間，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)了燃燒溫度＞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。其間，解決了火焰顏色與穩(wěn)定性、高壓儲(chǔ)氫（42兆帕）、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)。

之后，上海石化以產(chǎn)業(yè)鏈鏈長(zhǎng)的身份，積極組織火炬各部件量產(chǎn)加工企業(yè)開展火炬量產(chǎn)工作。

2022年1月17日，1200支冬奧火炬從上海啟程運(yùn)往北京，上海石化圓滿完成歷史使命。

碳纖維車頭罩

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公里的廣州地鐵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)尚屬首列。

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中國(guó)石化碳纖維這一材料后，減重指標(biāo)大幅提升，加之成型工藝低成本、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。

●碳纖維新材料，魅力無(wú)窮。 攝影/李英豪

碳纖維氫氣瓶

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35兆帕的氫氣瓶上已經(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35兆帕氫氣瓶技術(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20兆帕左右。鋼瓶?jī)?chǔ)存氫氣，容易受到氫氣腐蝕，而且重量重、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，不僅瓶體重量相比減輕了一半左右，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(wàn)噸/年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(lái)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(lái)更加廣闊的應(yīng)用前景。