碳纤维火炬“飞扬”研发历程揭秘

编辑/秦悦

北京2022年冬奥会和冬残奥会火炬不仅拥有“高颜值”，也蕴含着不少“黑科技”

在北京2022年冬奥会和冬残奥会的火炬传递活动中，旋转上升如丝带飘舞般的火炬“飞扬”赚足眼球。火炬“身上”的红色和金色线条随转动而上下贯通，象征着激情的冰雪赛道，也代表着永恒的火种光明向上，传递着人类生生不息，向往和平、追求卓越的期望和奥林匹克运动的力量。

火炬“飞扬”不仅拥有“高颜值”，其内在也蕴含着不少“黑科技”。作为全球首次以碳纤维复合材料制作的奥运火炬，“飞扬”不仅重量较铝合金外壳轻 20%以上，而且在严寒的天气下手握也不会觉得冰凉。这要得益于“飞扬”与众不同的外壳材料。北京2022年冬奥会和冬残奥会火炬均由中国石油化工集团有限公司（以下简称“中国石化”）研发的碳纤维复合材料制成，破解了碳纤维复合材料在大于800℃的氢气燃烧环境下，耐高温、耐燃烧等技术难题。

“织”出来的碳纤维火炬

2020年10月，中国石化上海石油化工股份有限公司（以下简称“上海石化”）火炬攻关团队拿到设计团队3D打印出来的火炬样品。设计师手中的“飞扬”，不仅形状飘逸，还分为内飘带和外飘带，最终需要将二者完美地卡在一起。

以碳纤维复合材料制作的奥运火炬外壳具有“轻、固、美”的特点。“轻”即碳纤维复合材料与相同体积的铝合金比，轻了20%以上；“固”即具有高强度、耐腐蚀、耐高温、耐摩擦、耐紫外线辐射等特点；“美”即应用了具有国际先进水平的三维立体编织成型技术，将高性能纤维编织成具有复杂形状的优美整体。

如何使碳纤维的火炬外壳既能接受形状不规则的挑战，又能经受耐火抗高温的考验？火炬“飞扬”采用的三维编织技术是碳纤维成型中的一个技术突破，每条黑色丝束都包含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。

火炬主要分为三个部分：外飘带、内飘带和氢气燃烧装置。最外面一层称为“外飘带”，由碳纤维与高温阻燃树脂的合成材料构成，里面还有一层内壳——“内飘带”，用的是铝合金材质，燃烧口就在内、外壳之间。火炬内部还有一个小型的储氢瓶和减压阀，可以用来轻松拆卸、更换气瓶。

由上海石化总牵头，组织东华大学、云路复合材料(上海)有限公司三维编织团队，负责火炬外壳三维编织技术研发、生产，使用镭雕喷涂上色、组装，最大程度还原火炬灵动的外形；与中核集团核工业第八研究所（以下简称“核八所”）、库贝化学（上海）有限公司合作，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，由中国航天科技集团有限公司、中国航天科工集团有限公司抽调内部研发单位，分别研发氢气火炬、丙烷火炬的内飘带和燃烧系统。[1]

在火炬外壳研制的3 个月内，上海石化及其合作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。

攻克耐燃烧、耐高温难题

碳纤维如同一层布料，需要“骨架”支撑才能更好塑形，一般树脂和碳纤维复合材料只能经受200℃左右的温度，而火炬燃烧口必须经受住800℃以上的高温。[2]

为了解决该问题，上海石化与核八所携手攻关，引入高性能树脂，与碳纤维一起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，有效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。

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，可抵抗10 级大风和暴雨，能在极寒天气中使用。同时，兼顾了轻量化、小型化和外形匹配的要求。火炬“飞扬”正式发布后，因其兼具中华民族传统特色和现代科技含量，得到了社会的一致认可和较高评价。

编织过程中的火炬“飞扬”。

量产的挑战

2021年3月，中国石化以北京2022年冬奥会官方合作伙伴的身份，承担手持火炬量产项目。从制作一把火炬外壳到制作成千上万把全形态火炬，其中的困难不亚于火炬外壳的研发。

经过北京冬奥组委、中国石化、上海石化联合组织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、河北等五大基地迅速建立并快速运转起来。

仔细观察“飞扬”火炬，会发现它与北京2008年奥运会开幕式主火炬塔形态相呼应，以祥云纹样“打底”，自下而上从祥云纹逐渐过渡到象征冬奥会的雪花图案，最后在顶端化身为飞扬的火焰。如此精美的火炬，不仅仅是工艺品，更是艺术品。

艺术品的量产会遇到效率、质量、成本等重重挑战，其中最大的挑战是效率问题。为保质保量按时完成量产任务，上海石化坚持边对接、边完善、边验收、边量产的工作方案，制订量产实施计划，从火炬内外飘带各部件的外形，到氢气瓶样件、控氢阀、燃烧效果，再到火种灯外观、操作便捷性等，不断进行完善，终于如期完成量产任务，1200 余支冬奥会火炬、600 余支冬残奥会火炬顺利交付。

碳纤维发展前景广阔

近年来，我国碳纤维的生产制备和应用技术实现了从“无”到“有”的突破，迎来了前所未有的产业化建设高潮，初步建立起国产碳纤维从制备、工程实践、产业建设和技术研发的完整产业链。经过长期研发攻关，上海石化成为国内首家、全球第四家掌握碳纤维大丝束产业化技术的企业。按照国家对新材料战略需求的要求，上海石化坚定不移做强做优碳纤维及其复合材料业务，除应用于冬奥火炬碳纤维外壳外，还成功应用于高速地铁列车碳纤维车头罩、氢气瓶碳纤维缠绕等高科技领域。

碳纤维作为“21世纪新材料之王”，以其优秀的综合性能备受多个行业领域青睐。根据赛奥碳纤维技术测算，2020年，全球前五大应用场景占据近80%的碳纤维需求，其中风电叶片的碳纤维需求占比为28.6%、航天航空为15.4%、体育休闲为14.4%、汽车为11.7%、混配模成型为8.9%。中国的碳纤维需求主要由风电叶片和体育休闲贡献，共占据70.8%。

随着我国碳纤维技术突破带来成本进一步下降，碳纤维有望向风电、压力容器、碳/碳复材等领域进一步渗透。作为我国战略性新兴产业新材料领域中的重要发力点之一，碳纤维未来的发展空间可期。