碳纤维复材让火炬“飞扬” | 点亮北京冬奥 炫彩中国智慧

编者按 第24届冬奥会将于2月4~20日在北京举行,千年古都北京将以“双奥之城”的名义,迎接五湖四海的宾朋。“科技冬奥”是2022年北京冬奥的主要特色,“零”碳排放的氢燃料火炬、氢燃料电池应急电源发电车、二氧化碳跨临界直冷制冰、碳纤维复合材料制备的火炬外壳、可再生资源为原材料生产的可降解餐具······这一项项化工新技术、新材料彰显出2022年北京冬奥的中国智慧。为迎接北京冬奥这一冰雪盛事,今日起推出《点亮北京冬奥 炫彩中国智慧》系列报道,讲述化工创新科技与北京冬奥的冰雪奇缘,让更多的人们了解冬奥、关注冬奥、支持冬奥,让冬奥“热”起来。


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图为在北京奥林匹克塔展出的“飞扬”火炬。(陈菲 摄)

  1月12日,距离北京冬奥会开幕的日子只有20来天了。在上海石化厂区车间内,工作人员们正在组装北京冬奥会和冬残奥会火炬“飞扬”。按计划,1200支火炬将在1月中旬前运往北京。

  此前,在北京冬奥会开幕倒计时一周年活动上,“飞扬”火炬揭开了面纱。“飞扬”旋转上升的外形极具动感和活力,如丝带飘舞、如火焰飞扬。为和北京2008年奥运会开幕式主火炬塔形态相呼应,它以祥云纹样“打底”,红色和金色线条随转动而上下贯通,从祥云纹逐渐过渡到雪花图案,最后在顶端化身为飞扬的火焰。这一设计既体现出北京即将成为奥运历史上首座“双奥之城”,也传递出人类向往和平、追求卓越的期望和奥林匹克运动的力量。

  “飞扬”火炬的背后,凝聚着我国化工行业科技研发的力量和科技工作者的集体智慧。

  中国石化肩负起产业链链长责任,牵头东华大学、中核集团、航天科技、航天科工集团等多家单位,进行冬奥火炬研发攻关和量产工作,实现全球首次以碳纤维复合材料制作奥运火炬外壳。

  时间回溯到2018年,上海石化迎来了一个特殊的访问团,其中包括一些体育界人士。

  上海石化副总经理、碳纤维专家黄翔宇在介绍中国石化碳纤维技术时骄傲地说:“碳纤维的质量只有钢的1/4左右,但是强度是钢的7至9倍。我们的碳纤维不仅能做奥运会火炬,而且更轻、更坚固。”就是这么一句不经意的话,开启了中国石化和冬奥火炬的缘分。

  2020年4月,北京冬奥组委面向全社会公开征集火炬外观设计方案。他们第一时间想到了中国石化的碳纤维技术,开始寻求合作的可能性。凭借多年来深耕碳纤维领域掌握的先进技术,中国石化主动承担起冬奥火炬外壳研制的任务,决定由上海石化牵头进行冬奥火炬碳纤维外壳的攻关。接到任务后,上海石化组织火炬攻关团队,提前演练,参照2008年北京奥运会的火炬样式,制作了好几把火炬。实践证明,碳纤维火炬除了能够还原样式,还做到了更轻更坚固。

  2020年9月22日,经北京冬奥组委主席办公会研究决定,名为“飞扬”的作品成为北京冬奥会、冬残奥会的火炬设计方案,并决定将创新使用氢能和碳纤维技术。2020年9月23日,北京冬奥组委召集会议,前来参会的不仅有设计方,还有中国石化碳纤维材料方面的专家和航天科技氢能燃烧方面的专家。

  但当他们看到3D打印出来的火炬样品时,全都傻眼了。样品形状飘逸,还分为内飘带和外飘带,二者要完美地卡在一起,形状不规则还要经受耐火抗高温的考验。小巧的体积要给储氢罐、燃烧器留足空间,确保火焰燃烧时饱满耀眼,储存的氢气还要足够燃烧。

  攻关团队兵分两路。一路,上海石化组织东华大学、云路复材公司三维编织团队,负责火炬外壳三维编织技术研发、生产,镭雕喷涂上色、组装,最大程度还原火炬灵动的外形;与中核集团核八所、库贝化学公司合作,研发碳纤维复合材料,以满足火炬耐高温、耐火烧的需求。另一路,由航天科技、航天科工集团抽调内部研发单位,分别研发氢气火炬、丙烷火炬的内飘带和燃烧系统。一场协同创新的攻坚战,围绕“飞扬”火炬全面展开。

  在火炬外壳研制的3个月内,攻关团队逐一攻克多项技术难题,形成了从碳纤维生产、复合材料制备到产品终端应用的一站式解决方案。用碳纤维做火炬又轻又坚固,而且与以往铝合金做的火炬相比,可以保证火炬在冬季低温下传递时,有更好的手感。然而,碳纤维本身并不耐高温,更不耐火烧,成为主要的难题之一。

  为了解决该问题,上海石化与中核集团核八所携手攻关,引入高性能树脂,做成碳纤维复合材料,最后通过工艺调整,把火炬上半段燃烧端在1000℃以上高温中进行特殊处理,解决了在高温制备过程中火炬外壳起泡、开裂等难题,实现了燃烧温度大于800℃氢气燃烧环境下的正常使用。

  “飞扬”火炬正式发布后,兼具中华民族传统特色和现代科技含量的冬奥火炬得到了一致认可和较高评价。火炬的点火系统全部包在外壳里面,以碳纤维复合材料制作奥运火炬外壳,不仅是世界首创,而且创新实现了火炬外壳重量较铝合金外壳轻20%以上,呈现出“轻、固、美”的特点。采用聚硅氮烷树脂碳纤维材料复合,既能耐温又能耐火;采用氢作燃料,除了具有环保的特点外,也保证了北京冬奥会火炬接力在冬季低温环境中进行。

  最终,经专家鉴定和实践检验,碳纤维氢能火炬安全可靠性高,可抗10级大风和暴雨,能在极寒天气中使用。

  历经“九九八十一难”,总算交出了完美答卷,上海石化火炬攻关团队还来不及庆祝,新的任务就已到达:2021年3月,北京冬奥组委提出,中国石化以北京冬奥会官方合作伙伴的身份,承担手持火炬量产项目。

  经过北京冬奥组委、中国石化上海石化联合组织的企业现场考察和样品测试验证,最终确定了冬奥火炬各部件加工企业,一个集火炬外壳、内飘带、燃烧系统、火种灯、终端检测到交付产品为一体的总流程,在上海、北京、江苏、广东、河北五大基地迅速建立并快速运转起来。

  2021年9月中旬,用于冬奥火种采集的丙烷火炬量产样品通过了北京冬奥组委组织的两次现场检测和第三方验证验收。2021年9月22日,上海石化向北京冬奥组委正式交付115支丙烷火炬及火种灯、引火棒等部分周边产品,顺利完成北京冬奥组委交付的首批量产任务。按计划,还有1200支火炬将在2022年1月中旬前运抵北京。

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