成功應用于冬奧火炬外殼、高速地鐵列車車頭罩、氫氣瓶纏繞中國石化碳纖維三項應用技術獲突破

2022年2月4日，第24屆冬季奧運會在北京隆重開幕，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”更是吸引了全世界的目光。你知道嗎？“飛揚”的外殼是上海石油化工股份有限公司研制的，以碳纖維及其復合材料制作奧運火炬，成為世界首創。

近年來，上海石化以小絲束、大絲束碳纖維作為新材料，已經在油田抽油桿、橋梁隧道管道補強、設備耐磨制件等多個領域得到應用，并在一些高端領域取得重大突破，有力提升了我國碳纖維應用水平.除了成功應用于冬奧火炬“飛揚”的外殼外，還成功應用于廣州高速地鐵列車車頭罩，也是國內首創；用國產碳纖維纏繞35 MPa氫氣瓶，又是一個國內首創。3個首創，凸顯了上海石化在碳纖維領域的擔當和創新精神。

輕固美火炬，蘊含科技冬奧非凡魅力

北京冬奧會是我國重要歷史節點的重大標志性活動。火炬作為冬奧會最重要的要素之一，其設計和制造被北京冬奧組委列為科技冬奧體現的重點。

中國石化主動請纓，并發揮旗下上海石化碳纖維生產基地的產業優勢，把制造高技術含量的碳纖維火炬當作一項重大使命。同時，利用研發制造碳纖維復合材料火炬外殼的契機，加快推進碳纖維及其復合材料核心技術攻關。

2020年9月底，由上海石化牽頭組織的火炬制作團隊正式拿到火炬樣品，一場協同創新的攻堅戰全面展開，在3個月內逐一攻克多項技術難題，形成了從碳纖維生產、復合材料制備到產品終端應用的一站式解決方案，解決了碳纖維復合材料耐高溫、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新亮點。一是以碳纖維復合材料制作火炬外殼，成為世界首創。期間，破解了碳纖維復合材料火炬外殼在1000℃高溫制備過程中起泡、開裂等難題，實現了在燃燒溫度大于800℃的氫氣燃燒環境下正常使用，重量較鋁合金外殼輕20%以上，呈現出了“輕、固、美”的特點。二是火炬采用氫氣為燃料，實現零碳排放。期間，解決了火焰顏色與穩定性、高壓儲氫（42 MPa）、減壓供氫裝置、氫能安全利用等多項技術難題。

經過專家鑒定和實踐證明，碳纖維氫能火炬，安全可靠性高，可抗10級大風和暴雨，能在極寒天氣中使用，減壓比高達幾百倍。在解決復雜難題的同時，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冬奧會倒計時一周年活動上，名為“飛揚”的奧運火炬揭開面紗。兼具中華民族傳統特色和現代科技含量的冬奧火炬得到了中央領導、冬奧組委領導的一致認可和較高評價。

碳纖維車頭罩，助力高速地鐵列車輕量化

被譽為“粵港澳大灣區”最快地鐵、最高時速可達160 km的廣州地鐵18號線，2021年9月28日首通段正式開通運營。擔任運營任務的“灣區藍”高速地鐵列車，不僅采用了高鐵動車的子彈頭駕駛艙，而且車頭頭罩（開閉罩）采用了輕質高強碳纖維復合材料，助力列車輕量化，這在國內尚屬首例。

采用炭纖維材料的北京冬奧會火炬、高速地鐵列車車頭罩和氫氣瓶纏繞（從左至右）

碳纖維及其復合材料是軌道交通裝備升級換代發展的新材料主要方向之一。2019年起，上海石化和中國中車開展協同創新，雙方決定，以需求牽引研制，以研制推動應用，以突破碳纖維復合材料在軌交領域規模應用關鍵核心技術為主線，逐步形成世界領先的“一站式”輕量化技術解決方案。

雙方在攻關中，開展了高性能低成本碳纖維及樹脂研發，形成了高效率可規模化生產的復合材料結構件一體化成型技術，并對開發的碳纖維復合材料高鐵部件進行工藝驗證和承載結構性能評價，最終通過運用考核評價和運行測試，實現產業化應用。

據了解，“灣區藍”高速地鐵列車采用了碳纖維這一材料后，減重指標大幅提升，并且，由于成型工藝低成本、一體化，將引領下一代高速列車復合材料前端模塊的技術革新。

碳纖維氫氣瓶，技術成熟、安全可靠

隨著中國石化碳纖維技術取得重大突破，碳纖維復合材料在儲氫領域也獲得了重大進展，特別是上海石化自主研發的碳纖維用于纏繞氫氣瓶的制造工藝技術，在35 MPa的氫氣瓶上已經通過檢測，各項重要指標都符合國家相關標準，這代表著35 MPa氫氣瓶技術已基本成熟，已經處于擴大應用階段，并將在商用車上獲得大規模應用。

普通的氫氣鋼瓶，承壓在20 MPa左右。鋼瓶儲存氫氣，容易受到氫氣腐蝕，而且質量重、防撞性能差。上海石化經過3年時間，通過對碳纖維絲束的張力控制、優化線性設計、內膽材料選型等技術攻關，制造出的鋁材內膽碳纖維纏繞氫氣瓶、樹脂內膽碳纖維纏繞氫氣瓶，很好地解決了鋼瓶存在的不足問題，不僅瓶體質量減輕了一半左右，而且，經高處跌落、撞擊等測試，安全性得到保證。

當前，國內的碳纖維纏繞氫氣瓶，使用的都是進口碳纖維。而上海石化制造的氫氣瓶，全部采用自己生產的碳纖維，性能完全達到標準，這在國產成為首家。

2022年，上海石化1.2萬t/a 48K大絲束碳纖維一期項目將建成投產。48K大絲束最大的優勢，就是在相同的生產條件下，可大幅度提高碳纖維單線產能和質量性能，并實現生產低成本化，從而打破碳纖維價格高昂帶來的應用局限。2024年全部建成投產后，將一舉改變我國大絲束碳纖維全部依賴進口、長期供不應求的局面，碳纖維產業將迎來更加廣闊的應用前景。