碳纤维“织”出火炬丝带曲线

“中国制造”破解难题
碳纤维“织”出火炬丝带曲线

2022年北京冬奥会火炬有一个充满动感的名字——“飞扬”。外形酷似两条交织舞动的丝带，不仅在设计上具有美感和力量，背靠的更是中国企业的潜心研发与匠心打造。此次火炬“飞扬”的外壳创新使用了碳纤维，同时加入树脂复合材料，使其既轻便又牢固，耐火又耐高温。中国石化上海石化公司副总经理、冬奥火炬量产项目领导小组副组长黄翔宇向新京报贝壳财经记者讲述，生产车间里，一条条黑色丝束，每一束都包含着1.2万根碳纤维丝。经过三维立体编织，最终就像“织毛衣”一样织成了火炬外壳。

中国企业的创新突破远非如此。3D打印、高压储氢、火焰显色……小小的一支火炬，凝结了大量科技和工程成果，体现了绿色低碳的环保理念。

“飞扬”又轻又美有秘诀

本届北京冬奥会，由中国石化牵头负责火炬外壳研发及火炬量产工作，中国石化上海石化承制。黄翔宇接受新京报贝壳财经记者采访时回忆，在寻找火炬外壳材料的过程中，为了契合“绿色办奥”理念，体现艺术设计与科技创新的完美融合，研发团队将目光投向了碳纤维。

碳纤维的密度只有钢的1/4左右，但是强度是钢的7-9倍，用碳纤维制成的火炬很轻，火炬外壳重量较铝合金外壳轻20%以上，而且很牢固，“随便怎么摔也摔不坏”。

不过，碳纤维虽然具有轻巧牢固的优点，但也带来一些难题，其中就包括不耐高温。“飞扬”的燃烧口在内壳和外壳之间，这要求外壳能够经受住800℃以上的高温。

黄翔宇告诉贝壳财经记者，碳纤维复合材料本身强度高、热膨胀系数小，但耐温一般不超过250℃，所以怎么做到保证火炬耐燃烧且表面不开裂、起泡，成为一大难点。

通过上海市经信委材料处介绍，上海石化火炬研发团队寻到突破口——上海金山区一家企业研发了一种树脂，耐火、耐高温，研发团队经过一番测试分析后，将其与碳纤维一起制成碳纤维复合材料。最终，通过反复调整工艺，使火炬外壳材料达到了既能够耐高温又能够耐火的要求，在800℃、900℃的燃烧环境下都可以正常使用。

火炬“飞扬”实现旋转上升的不规则造型，也是碳纤维成型过程中的一个技术突破。黄翔宇称，“飞扬”采用了三维编织技术，生产车间里，一条条黑色丝束，每一束都包含着1.2万根碳纤维丝。经过三维立体编织，最终就像“织毛衣”一样织成了火炬外壳，看不出任何接缝与孔隙，整个造型浑然一体。

1200支火炬量产，历时近5个月

火炬面世，凝聚了科研人员和工程师的智慧和心血。

手持火炬的内部空间比较狭小，要装入保证足够长燃烧时间的氢气，需要实现一个高达几百倍的大比例减压。为此，中国航天科技集团等研制了一款轻量化小型化的氢气减压装置。此外氢气燃烧火焰呈淡蓝色，在日光下不易显色，研发团队研发了一种可以调节氢气火焰颜色的配方，让它在日光下具有可见的红黄色。

黄翔宇对贝壳财经记者进行技术上拆解，火炬分为外飘带、内飘带和氢气燃烧装置三个组成部分，每一部分均有大量科技成果。外飘带主要采用了陶瓷化成型技术、三维编织技术、RTM成型技术、镭雕技术、自动喷涂技术等。火炬内飘带成品要求有丝绸飘逸质感，纳米级陶瓷涂层厚度，耐受800℃-1000℃高温，主要采用3D打印、打磨、喷砂等技术。火炬的燃烧装置由中国航天科技集团研制，解决了火焰颜色与稳定性、高压储氢、氢能安全利用等多项技术难题。

研发只是火炬生产的第一步，量产同样打起持久战。

中国石化上海石化先进材料创新研究院总经理林生兵对贝壳财经记者表示，经过前期开展大量深化设计和产品验证等工作，2021年8月份，上海石化正式启动量产工作，至当年12月底基本完成量产任务，整个量产过程用了近5个月时间。2022年1月27日，1200支北京冬奥会火炬“飞扬”正式交付北京冬奥组委。

到此时，上海石化的任务并没有结束。林生兵称，2月2日至4日三天火炬传递时间，上海石化冬奥火炬团队全程参与火炬传递保障工作，整个团队分成组装和现场服务保障两个小组。

火炬在每位火炬手中间传递，还有着这样一段鲜为人知的旅程：在火炬组装基地，上海石化的组装团队从1月28日开始组装火炬，每支火炬组装完成后要点火10秒左右进行检漏，确认氢气没有泄漏。每一天，传递所用的火炬当天凌晨发货，由火炬组装基地运输到各个传递点位。而每一棒火炬手传递完，会由现场服务保障团队进行燃烧装置的拆卸和回收。此后，火炬会赠送给火炬手作为纪念，燃烧装置则被运送回火炬组装基地，进行循环利用。

氢燃料“时间”：日供氢能力5000公斤

往届奥运会大量使用液化天然气或丙烷等气体，北京冬奥会是奥运历史上首次使用氢能作为火炬燃料。

北京冬奥会的主火炬氢气燃料由中国石化燕山石化供应。中国石化燕山石化首席专家、新能源办公室主任李军良接受贝壳财经记者采访时称，氢气是最洁净环保的燃料。传统的液化天然气或丙烷等燃料，其主要组成是甲烷、乙烷、丙烷等低碳烷烃。与之相比，氢气燃烧的时候只产生水，不产生二氧化碳，更不会发生燃烧不充分冒烟的现象，可实现完全的零排放。同时，氢的沸点很低，可在极低的温度下稳定燃烧。选用氢气作为奥运火炬燃料，能够真正体现北京冬奥会绿色、低碳、可持续原则，真正实现奥林匹克精神与“绿色”、“环保”的进一步结合。

除了为主火炬提供氢燃料之外，中国石化燕山石化还保障冬奥会赛事氢燃料电池车用氢。李军良介绍，为服务于北京冬奥会氢气保供，燕山石化新建了氢气新能源装置。燕山石化氢气新能源装置于2019年3月获得中国石化批复，8月完成基础设计批复，10月进场开展施工准备，于2020年1月2日中期交工，3月27日实现一次开车成功。该装置设计规模为2000标准立方米/小时，采用变压吸附（PSA）工艺，产出可以满足燃料电池所用氢气，纯度达99.999%。当时，我国氢气市场尚处于起步阶段，市场需求量小，行业经验也比较少，燕山石化氢气新能源装置的建设过程需要克服很多技术难点。李军良表示，为了尽快完成建设，该装置采用模块化设计，缩短现场作业时间。由于装置初期不能长周期运行，设计时还设置了快速启停程序。

谈及冬奥会所需氢气的生产与运输，李军良告诉贝壳财经记者，燕山石化氢气新能源装置将粗氢提纯净化，得到纯度达99.999%且特定杂质符合标准的燃料电池用氢气。装置氢气通过加压到20兆帕充入专用长管拖车，与加氢站紧密联系，昼夜作业，确保氢气准时运送到奥运车辆氢气加注站。中国石化在北京、河北建设了4座服务冬奥加氢站，日供氢能力共计5000公斤。以庆园街加氢站为例，占地面积2500平方米，日供氢能力1500公斤，每天可为80辆12米公交巴士提供加氢服务，是由中国石化与北京公交集团联手打造的集加氢、光伏、便利店、易捷咖啡于一体的综合能源服务站。

新京报贝壳财经记者 顾志娟

标签： 碳纤维复合材料 氢气燃烧