冬奥火炬外壳、高速地铁列车、氢气瓶中石化神器碳纤维

文／胡拥军

●氢气瓶碳纤维，中国造！ 供图/上海石化

盘点2021年的中国石化碳纤维应用技术，有三大突破：成功应用于冬奥火炬“飞扬”外壳，成为世界首创；成功应用于广州高速地铁列车的车头罩，成为国内首创；成功应用于35兆帕氢气瓶缠绕，又成国内首创。三个首创，凸显了中国石化在碳纤维领域的担当和创新精神。

在中国石化的决策部署下，上海石化于2008年11月建成中试装置，2009年3月成功研制出12K原丝，2012年9月建成年产500吨碳纤维生产线，2018年3月成功试制出了国内真正意义上的48K大丝束碳纤维。

“轻固美”火炬

“轻固美”火炬，蕴含科技冬奥非凡魅力！

北京冬奥会是我国重要历史节点的重大标志性活动。火炬作为冬奥会最重要的要素之一，其设计和制造被北京冬奥组委列为科技冬奥体现的重点。

中国石化主动请缨，并发挥旗下上海石化碳纤维生产基地的产业优势，把制造高技术含量的碳纤维火炬当作一项重大使命。同时，利用研发制造碳纤维复合材料火炬外壳的契机，加快推进碳纤维及其复合材料核心技术攻关。

2020年9月底，由上海石化牵头组织的火炬制作团队正式拿到火炬样品，一场协同创新的攻坚战全面展开。他们在3个月内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，解决了碳纤维复合材料耐高温、耐燃烧，以及采用氢气为燃料这两大难题，并形成了两大科技创新亮点。一是以碳纤维复合材料制作火炬外壳，成为世界首创。其间，破解了碳纤维复合材料火炬外壳在1000℃高温制备过程中起泡、开裂等难题，实现了燃烧温度＞800℃的氢气燃烧环境下正常使用，重量较铝合金外壳轻20%以上，呈现出了“轻、固、美”的特点。二是火炬采用氢气为燃料，实现零碳排放。其间，解决了火焰颜色与稳定性、高压储氢（42兆帕）、减压供氢装置、氢能安全利用等多项技术难题。

经过专家鉴定和实践证明，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，减压比高达几百倍。在解决复杂难题的同时，兼顾了火炬轻量化、小型化、外形匹配要求。

2021年2月4日，在北京2022冬奥会倒计时一周年活动上，名为“飞扬”的奥运火炬揭开面纱。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中央领导、冬奥组委领导的一致认可和较高评价。

之后，上海石化以产业链链长的身份，积极组织火炬各部件量产加工企业开展火炬量产工作。

2022年1月17日，1200支冬奥火炬从上海启程运往北京，上海石化圆满完成历史使命。

碳纤维车头罩

碳纤维车头罩，助力高速地铁列车轻量化！

被誉为“粤港澳大湾区”最快地铁、最高时速可达160公里的广州地铁18号线，2021年9月28日首通段正式开通运营。担任运营任务的“湾区蓝”高速地铁列车，不仅采用了高铁动车的子弹头驾驶舱，而且车头头罩（开闭罩）采用了轻质高强碳纤维复合材料，助力列车轻量化，这在国内尚属首列。

碳纤维及其复合材料是轨道交通装备升级换代发展的新材料主要方向之一。2019年起，上海石化和中国中车开展协同创新，双方决定以需求牵引研制，以研制推动应用，以突破碳纤维复合材料在轨交领域规模应用关键核心技术为主线，逐步形成世界领先的“一站式”轻量化技术解决方案。

双方在攻关中，开展了高性能低成本碳纤维及树脂研发，形成了高效率可规模化生产的复合材料结构件一体化成型技术，并对开发的碳纤维复合材料高铁部件进行工艺验证和承载结构性能评价，最终通过运用考核评价和运行测试，实现产业化应用。

据了解，“湾区蓝”高速地铁列车采用了中国石化碳纤维这一材料后，减重指标大幅提升，加之成型工艺低成本、一体化，将引领下一代高速列车复合材料前端模块的技术革新。

●碳纤维新材料，魅力无穷。 摄影/李英豪

碳纤维氢气瓶

碳纤维氢气瓶，技术成熟安全可靠！

随着中国石化碳纤维技术取得重大突破，碳纤维复合材料在储氢领域也获得了重大进展，特别是上海石化自主研发的碳纤维用于缠绕氢气瓶的制造工艺技术，在35兆帕的氢气瓶上已经通过检测，各项重要指标都符合国家相关标准，这代表着35兆帕氢气瓶技术已基本成熟，已经处于扩大应用阶段，并将在商用车上获得大规模应用。

普通的氢气钢瓶，承压在20兆帕左右。钢瓶储存氢气，容易受到氢气腐蚀，而且重量重、防撞性能差。上海石化经过3年时间，通过对碳纤维丝束的张力控制、优化线性设计、内胆材料选型等技术攻关，制造出的铝材内胆碳纤维缠绕氢气瓶、树脂内胆碳纤维缠绕氢气瓶，很好地解决了钢瓶存在的不足问题，不仅瓶体重量相比减轻了一半左右，而且，经高处跌落、撞击等测试，安全性得到保证。

当前，国内的碳纤维缠绕氢气瓶，使用的都是进口碳纤维。而上海石化制造的氢气瓶，全部采用自己生产的碳纤维，性能完全达到标准，这在国产成为首家。

2022年，上海石化1.2万吨/年大丝束碳纤维一期项目将建成投产。48K大丝束最大的优势，就是在相同的生产条件下，可大幅度提高碳纤维单线产能和质量性能，并实现生产低成本化，从而打破碳纤维价格高昂带来的应用局限。2024年全部建成投产后，将一举改变我国大丝束碳纤维全部依赖进口、长期供不应求的局面，碳纤维产业将迎来更加广阔的应用前景。