你是否能想到
一滴油竟能“變成”一支火炬？
北京2022冬奧會正在舉行
奧運火炬“飛揚”
憑借其動感活力的外形
和耐寒、抗高溫的“黑科技”
受到全世界的關注
而其絢麗的外殼正是由中國石化上海石化
參與研發的碳纖維及其複合材料制成
屬世界首創！
碳纖維
碳纖維，也被稱為“黑黃金”。它和我們日常戴的口罩“同宗同源”，它們都是億萬年前深埋在岩石地層裡的、一坨黑乎乎的——石油。
碳纖維力學性能優異，比重不到鋼的四分之一，強度是鋼的7至9倍，并且還具有耐腐蝕、高模量的特性，被稱為“新材料之王”，在各行各業有着廣泛的應用前景。
上海石化是中國石化系統内唯一研發生産碳纖維的企業，也是國内第一家率先突破48K大絲束碳纖維産業化技術的企業。
截至目前，上海石化擁有申請碳纖維相關專利274項、授權165項，碳纖維相關專利申請數排名全國第一、全球第三，是國内第一家、全球第四家掌握碳纖維大絲束的企業。
碳纖維的發展之路：
被譽為“黑黃金”的神奇碳纖維，從石油中來，背後其實有着很曲折的逆襲曆史。
始于白熾燈的發明：
碳纖維第一次被提出要追溯到1880年，發明電燈泡的愛迪生首次提出了用碳纖維做電燈的燈絲。然而，由于當時的碳纖維亮度不高、制作方法複雜、壽命比鎢絲短，最終被鎢絲取代了。
人造絲碳纖維出現：
20世紀早期，粘膠和醋酯等人造纖維的出現，把碳纖維技術引入“再發明”時代。20世紀50年代初，美國Wright-Patterson空軍基地以粘膠纖維為原料，試制碳纖維成功，産品用作火箭噴管和鼻錐的燒蝕材料，效果很好。
PAN基碳纖維誕生：
20世紀60年代初，日本大阪工業研究所的近藤昭男發明了以聚丙烯腈（PAN）纖維為原料制取碳纖維的方法，并取得了專利，開啟了日本的PAN基碳纖維之路。PAN基碳纖維在軍工、航空飛機部件、锂電池、體育用品領域的廣泛應用帶來了20世紀70年代碳纖維産業的飛速發展。
瀝青基碳纖維問世：
除了人造絲、聚丙烯腈，碳纖維的三大前驅體還有瀝青。1965年，日本大谷杉郎首先制成了聚氯乙烯瀝青基碳纖維。1970年日本吳羽化學工業公司采用大谷杉郎的專利，首先建成年産120噸普通型（GPCF）瀝青基碳纖維的生産廠，1978年産量增到240噸。
高性能PAN基碳纖維工業化生産：
1969年日本碳公司開發高性能PAN基碳纖維獲得成功。1971年東麗公司将産品Torayca投放市場。随後，産品的性能、品種、産量不斷發展，至今仍處于世界領先地位。1982年起，日本、美國、英國的多家公司先後生産出高強、超高強、高模量、超高模量、高強中模及高強高模等類型高性能産品，使應用開發進入一個新的高水準階段。
國内碳纖維發展之路
大陸在20世紀六七十年代也開始了碳纖維研究，但是由于技術與裝備封鎖，長期發展緩慢，工藝流程長、關鍵控制點多，其難度可想而知。
2000年起碳纖維發展進入新階段，2007年産能進入飛速發展階段，國内也相繼出現了多家碳纖維生産企業。
上海石化碳纖維發展之路
十年磨出“黑黃金”，實作從12K到48K的飛躍。
早在上世紀八十年代，上海石化作為國内最大的腈綸生産企業。依托腈綸産業優勢，率先開展對碳纖維的交流調研和技術研究工作，并積累了一定的經驗。
2007年，中國石化決策部署PAN基碳纖維的研發和産業化攻關工作，并将建設項目落實在了上海石化。
碳纖維技術有着森嚴的技術壁壘，迄今為止也隻有日本、美國等少數發達國家擁有并掌握。
在各方團隊的齊心協力下，碳纖維攻關快速推進：
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，采用自行開發的國内獨有的NaSCN（硫氰酸鈉）濕法工藝、自主知識産權的成套技術，上海石化年産3000噸原絲、1500噸碳纖維項目一階段工程建成投産，形成了每年3000噸聚合物、1500噸原絲、500噸碳纖維的工業化生産能力。
時隔10年後，2021年5月，上海石化1000噸／年碳纖維生産線建成投産，産出合格産品。二階段項目在建設中，國産裝備應用率較一階段項目提升了10%，進一步增強大陸碳纖維關鍵核心技術，提升大陸碳纖維生産的綜合競争力。
向上滑動閱覽
在碳纖維行業内，通常将每束碳纖維根數大于48000根（簡稱48K）的稱為大絲束碳纖維。目前，國内每束碳纖維基本處于1000根～12000根之間，稱為小絲束。
48K大絲束最大的優勢，就是在相同的生産條件下，可大幅度提高碳纖維單線産能和品質性能，并實作生産低成本化，進而打破碳纖維高昂價格帶來的應用局限。
數量從1.2萬個放大到4.8萬個這麼簡單，中間要走過一條十分艱難的攻關之路，這需要深厚的科研理論作指導，豐富的實踐經驗作支撐，才能解決很多關鍵的技術難點，而上海石化經過10年磨一劍，創造了這一條件。可以說，從12K到48K的成功突破，标志着上海石化碳纖維技術從量變到質變的飛躍，不僅填補了國内空白，而且達到了國際先進水準。
碳纖維生産工藝（從一滴石油到碳纖維）
碳纖維和我們日常戴的口罩“同宗同源”，它們都是億萬年前深埋在岩石地層裡的、一坨黑乎乎的——石油！
以最主流的PAN基碳纖維為例，從億萬年前形成的原油到2022北京冬奧會“飛揚”的制備流程十分漫長，是一次漫長的“飛揚”之旅。
被石油勞工開采出來的石油進入煉廠之後，經過常減壓裝置蒸餾處理，可以從中提取石腦油等組分。接下來将石腦油送到乙烯裝置，在溫度700~900攝氏度的乙烯裂解爐中，将其裂解成丙烯。當丙烯與氨、氧氣走到一起，在催化劑的推波助瀾之下，發生了丙烯氨氧化反應，得到了碳纖維的原料——丙烯腈。
丙烯腈單體經過聚合反應，不斷連接配接在一起，形成了具有螺旋結構的聚丙烯腈大分子長鍊，這些長鍊卷曲纏繞在一起，形成了聚合物聚丙烯腈。聚丙烯腈不溶于水，需要加入特殊溶劑，纏結在一起的大分子鍊才能變成流動的紡絲液體。通過機械剪切和管道輸送，大分子逐漸有序排列，紡絲液從類似于淋浴花灑一樣的噴絲闆的噴絲孔裡高速擠出，在特制的溶液中凝固成型。經過一系列的機械拉伸，形成緻密規整的白色原絲。白色原絲經過氧化、高低溫碳化等連續工藝，就像生面團烤制面餅，顔色從白變黃，再從黃變黑，纖維也越變越細，最終形成“黑黃金”碳纖維。
碳纖維應用領域：在當今世界高速工業化的大背景下，碳纖維用途正趨向多樣化，憑借着輕而強、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、結構尺寸穩定性好及設計性好、可大面積整體成型等優異性能，碳纖維已在航空航天、國防軍工和民用工業的各個領域得到廣泛應用。
作為國内第一家率先突破48K大絲束碳纖維産業化技術的企業，自上海石化碳纖維問世後，在各個領域得到廣泛應用，對“中國制造”産生積極的推動作用。
碳纖維抽油杆應用于采油産業。在2019年9月舉辦的第21屆中國國際工業博覽會上，由上海石化、勝利油田、勝利油田新大管業3家共同申報的“以碳纖維及其連續抽油杆研制為核心的新型高效機采系統”，獲工博會首次設立的中國國際工業博覽會大獎，成為一個以開發、應用碳纖維新材料提升傳統采油産業的成功案例。目前，該系統在勝利油田進行應用，性能優良，與國外碳纖維水準相當，完全可以取代進口。目前，已在國内五大油田94個區塊545口井進行産業化應用，實作了直接經濟效益2.45億元。
碳纖維耐磨制件應用于腈綸紡絲機械裝置。2019年2月，由上海石化研制開發的碳纖維耐磨片被應用到腈綸紡絲機械裝置上，這是碳纖維複合材料在工業領域的又一成功應用，打破了耐磨制件長期依賴進口的被動局面。工業機械裝置長期以來采用進口材質制件，但磨損快、使用周期短等問題始終無法有效解決。上海石化工業用耐磨片以碳纖維增強聚醚醚酮（PEEK）樹脂複合材料為基礎，采用先進造粒技術和擠出成型工藝加工制成，具有耐磨耐熱、抗腐蝕和自潤滑等優異性能，使用壽命可延長3～4倍，有效提高了生産連續性，保證了腈綸絲束品質。
碳纖維補強技術應用于公路、立交橋、高鐵、隧道等基礎設施維修加強工程。近年來，上海石化與哈爾濱工業大學等院校在碳纖維複合材料補強領域攜手攻關，目前，碳纖維補強技術已被廣泛應用于公路、立交橋、高鐵、隧道等存在病險的基礎設施維修工程。在莫三鼻克N6公路、天津津濱高速立交橋、沈陽至丹東鐵路線、遼甯蓡窩水庫等病險基礎設施維修工程中，采用碳纖維拉擠闆材加強，不僅施工高效便捷，而且結構承載力明顯增強。同時，在加強修補液相丙烯、抽餘碳四、火炬氣、甲烷氫、氮氣、污水等石油石化管道、高腐蝕裝置、化工工廠中的房間受腐蝕建築等方面應用效果良好，形成了豐富的應用經驗，具有良好的示範作用。
碳纖維鋼筋替代傳統工程材料。2019年，一種可替代鋼筋的新型結構材料碳纖維筋成功問世，碳纖維筋是采用了特殊拉擠工藝，将碳纖維與樹脂結合，制成形似鋼筋的一種新材料，具有強度高、重量輕、耐腐蝕等優點。權威部門測試鑒定結果表明，制品的抗拉強度、彈性模量等關鍵名額均優于國家相關規範标準。由上海石化與中建八局、哈爾濱工業大學等機關合作開發的碳纖維筋，不但能降低構築物自重，而且大幅增強了混凝土筋結構的耐海洋腐蝕性、耐水泥堿性等，能有效提高建築物的耐久性能，降低維護成本，延長使用期限。碳纖維筋突破應用局限替代傳統工程材料，表明上海石化碳纖維複合材料的應用在國内土木工程領域處于領先水準。
打造人才高低，上海石化碳纖維的“矽谷” ：2020年8月28日，上海石化先進材料創新研究院揭牌成立。這是上海石化在科技創新上推出的重要舉措，他們集中力量開展關鍵核心技術攻關和産業創新，推進中高端新材料産業企地融合發展。科研工作，最重要的是人才。目前，創新研究院通過内外部結合招聘，64人中，博士8人、碩士21人、大學21人，成為上海石化名副其實的“矽谷”。 同時，該院與上海碳纖維複合材料創新研究院、陶氏化學、華東理工大學、東華大學等高新企業、高校院所開展各項技術交流，共建合作推動高品質發展。
目前，上海石化正着力打造中高端新材料産業叢集，接下來，上海石化将着力開展核心技術研究，努力形成碳纖維工程化成套技術；努力打造以碳纖維産業為核心，以聚酯、聚烯烴、彈性體、碳五下遊精細化工新材料産業為延伸的中高端新材料産業叢集；利用研發制造碳纖維複合材料火炬外殼的契機，加快推進碳纖維及其複合材料核心技術攻關，為上海石化轉型發展、創新發展、跨越發展打造新引擎、彙聚新動能。
從碳纖維到“飛揚”火炬
2020年6月，一則上級通知突然降臨：應冬奧組委要求，中國石化上海石化為火炬“飛揚”研制碳纖維外殼。
碳纖維單根僅有頭發絲1/15粗細，如何将這麼細的碳纖維絲變成不同形狀碳纖維複合材料呢？上海石化聞令而動，立即組織内部攻關團隊和外部合作團隊，開啟了編織“飛揚”夢之路。
因冬奧會火炬外飄帶有“中部大兩頭小”特點，而且還要保證其上半部分在800攝氏度的氫氣燃燒環境下正常使用（傳統的碳纖維複合材料耐溫一般不超過250攝氏度，更不能經受燃燒），攻關團隊通過反反複複200多次的試驗和研究，最終采取分段模具設計、分段固化成型的方式，滿足了其耐燃燒及脫模需求，同時也保證了尺寸精度。
火炬外殼分成兩段：上段燃燒段和下段普通段，上下段采用膠接的方式，形成火炬整體外殼預制件。上段采用碳纖維陶瓷基複合材料，該材料耐高溫性能優異，滿足火炬上段燃燒環境的使用；下段采用碳纖維樹脂基複合材料，該材料力學強度高，滿足火炬的整體使用強度。
火炬外殼旋轉上升，如絲帶飄舞的造型怎麼做？攻關團隊幾經周折，慕名找到東華大學三維編織團隊。200多錠碳纖維，從3個不同的次元像編織羊毛衫一樣，成功塑造出絲帶飄舞的優美造型。
随後将上下部分通過高溫黏連、固化、打磨、噴漆、鐳雕、組裝，最終制成了“飛揚”外殼。
從億萬年前形成的原油
到2022北京冬奧會“飛揚”
是不是非常的神奇？
你還知道碳纖維在哪些領域運用？
你對碳纖維有什麼奇思妙想？
你還知道生活中哪些石油變成的高科技？