冬奧火炬為何握着不冰涼?這一全球首創來自上海

随着北京冬奧會的臨近，奧運火炬“飛揚”日漸為人熟知，除了優雅美觀的外形，内在也蘊含着不少“黑科技”。作為全球首次以碳纖維複合材料制作的奧運火炬，“飛揚”的外殼不僅要耐火抗高溫，還要能在極寒天氣中使用。

“你們摸一摸看，‘飛揚’的手感很好，天氣這麼冷，握着卻不覺得冰涼。”中石化上海石化創新研究院總經理林生兵向記者展示時，特别強調“飛揚”與衆不同的外殼材料，“外殼所用的碳纖維複合材料，品質隻有鋼的四分之一左右，但是強度卻是鋼的7到9倍。”

外殼：碳纖維“織毛衣”成型

時間追溯到2020年6月，林生兵突然接到一則上級通知：應冬奧組委要求，為火炬“飛揚”研制碳纖維外殼。

“2008年北京奧運會的‘祥雲’火炬是金屬外殼，性能穩定但觸感很冷。”林生兵表示，冬奧會火炬傳遞正是嚴寒之時，傳統金屬材料手感不好，碳纖維的複合材料則可以避免這一問題，“碳纖維的品質隻有鋼的四分之一左右，但是強度是鋼的7至9倍。碳纖維的自重輕又牢固摔不壞的特性，特别适合火炬的制作材料。”

據了解，北京冬奧組委面向全社會公開征集火炬外觀設計，一共收到182件應征作品，最終經過設計和燃燒方面等專家們的反複遴選、評審，最終确定了一種内外飄帶結合的火炬造型，命名為“飛揚”，成為2022年冬奧會和冬殘奧會的火炬設計方案。按照北京冬奧會綠色奧運和科技奧運的指導思想，确定氫能和碳纖維成為2022年冬奧會火炬的努力方向。

由于上海石化碳纖維生産基地具有産業優勢，中石化将制造碳纖維火炬當作一項重大使命交給了上海。中石化上海石化公司副總經理黃翔宇介紹，本次火炬采用了三維編織技術，這是碳纖維成型當中的一個技術突破，每一條黑色絲束都包含着12000根碳纖維絲。經過三維立體編織，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，整個造型渾然一體。

看似簡單的火炬外殼，内部卻大有乾坤。林生兵告訴記者，火炬主要分為三個部分：外飄帶、内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成，裡面還有一層内殼“内飄帶”，用的是鋁合金材質，燃燒口就在内外殼之間。而火炬内部還有一個小型的儲氫瓶和減壓閥，可以輕松拆卸用來換氣瓶。“減壓閥、儲氫氣瓶屬世界難題，‘飛揚’使用氫氣燃燒，需要在一虎口的距離，将瓶内壓力從420公斤力/平方厘米減至接近标準大氣壓(約等于1公斤力/平方厘米)，且保持穩定流量，難度可想而知。”

意外：火炬外殼展示時蹿起火苗

相比之下，碳纖維複合材料的“先天不足”更是困擾林生兵許久，甚至差點是以放棄這一“黑科技”。

記者了解到，碳纖維就好比一層布料，需要“骨架”支撐才能更好塑形，但是一般樹脂和碳纖維複合材料隻能經受200攝氏度左右的溫度，而火炬燃燒口則必須經受住800攝氏度以上的高溫。

哪裡能找到耐高溫材料成了當務之急。他們先找到研究陶瓷材料的教授，對方建議在碳纖維上塗陶瓷。經過幾次交流和論證，林生兵等團隊成員認為這“既不可行，也不好看”。沒想到，最終在上海石化的“鄰居”——金山二工區一家企業找到了解決方案。

庫貝化學(上海)有限公司是一家僅有14名員工的創業團隊，他們花費5年時間研發出的第三代聚矽氮烷樹脂，最高能經受住1200攝氏度的高溫，而氫氣燃燒溫度一般為800攝氏度，完全能勝任火炬外殼材料的要求。

“傳統的耐高溫材料一般是無機的，沒有附着力無法形成塗層，聚矽氮烷樹脂是有機和無機的複合材料，既能保證耐高溫，又有良好的附着力。”庫貝化學總經理劉章友告訴記者，最開始的方案是普通樹脂和碳纖維合成材料外加上聚矽氮烷樹脂塗層，由于熱傳導等問題隻能推倒重來，最後确定由聚矽氮烷樹脂直接與碳纖維合成新材料的方案。

不過，在林生兵帶着新材料外殼向冬奧組委彙報展示時卻遭遇意外。火炬點火後，外殼竟出現兩個火焰點，還蹿起一股小火苗，且有起泡、開裂現象。面對這一“翻車”，他們綜合判斷是外殼成型溫度不到位，且速度過快産生熱脹冷縮。經過不斷調試，林生兵團隊攻克了碳纖維複合材料耐燃燒、耐高溫的重大難題，“飛揚”奧運火炬也順利誕生。

很快，一個集火炬外殼、内飄帶、燃燒系統、火種燈、終端檢測、傳遞産品為一體的總流程，在上海、北京、江蘇、廣東、河北等五大基地迅速建立并快速運轉起來。面對時間緊、任務重、要求高，上海石化保持和北京冬奧組委、中石化冬奧辦的密切溝通，從火炬内外飄帶各部件的外形、棱角、顔色、裝配，到氫氣瓶樣件、控氫閥、燃燒效果，再到火種燈外觀、内部結構、操作便捷性，等等，都在深化設計、優化工藝中得到完善，同時保證了火炬量産的工作進度。

去年9月22日，上海石化向冬奧組委正式傳遞115支丙烷火炬及火種燈、引火棒等部分周邊産品，順利完成冬奧組委傳遞的首批量産任務。

未來：火炬技術可用在汽車上

在火炬外殼研制的3個月内，上海石化及其合作團隊逐一攻克多項技術難題，形成了從碳纖維生産、複合材料制備到産品終端應用的一站式解決方案，解決了碳纖維複合材料耐高溫、耐燃燒，以及采用氫氣為燃料這兩大難題，并形成了三項科技創新亮點：一是以碳纖維複合材料制作火炬外殼，成為世界首創。二是碳纖維複合材料實作了燃燒溫度大于800攝氏度氫氣燃燒環境下正常使用。三是重量較鋁合金外殼輕20%以上，呈現出了“輕、固、美”的特點。

據介紹，碳纖維是一種力學性能優異的新材料，被譽為“黑黃金”、21世紀新材料之王，有着廣闊的應用領域和發展前景，但是碳纖維卻有着森嚴的技術壁壘。此前，隻被日本、美國等少數發達國家掌握，但經過長期研發攻關，上海石化成為國内首家、全球第四家掌握碳纖維大絲束産業化技術的企業。

上海石化從2008年開始開展碳纖維技術攻關，承擔完成多項國家“863”“973”計劃和中國石化重大課題，形成從原絲、預氧化、碳纖維到複合材料産業鍊的創新能力，擁有自主知識産權成套技術，中國石化已申請碳纖維相關專利274項、授權165項，居國内第一、全球第三。目前，上海石化正全力推進2.4萬噸/年原絲、1.2萬噸/年48K大絲束碳纖維、百噸級高性能碳纖維等項目建設，加快打造碳纖維及複合材料産業叢集優勢。

冬奧會火炬外殼碳纖維複合材料的研發過程，既是挑戰也是機遇。黃翔宇表示，無論是飛機，還是光伏熱場材料，以及海上風電的風電葉片，未來都将有碳纖維的應用。“随着新能源車的輕量化，汽車外殼也可以用碳纖維來做，大陸碳纖維和碳纖維複合材料的産業發展非常快，将來我們還在研究火炬之後，這個材料可以用在其他更有用的地方。”