前有冬奧火炬“飛揚” 今有高速列車“灣區(qū)藍”
2月11日，記者從中國石化新聞辦獲悉，近日，中國石化上海石化自主研發(fā)生產(chǎn)的碳纖維成功應用于廣州地鐵18號線“灣區(qū)藍”高速列車。運行數(shù)據(jù)顯示，使用碳纖維復合材料的列車車頭罩，性能完全符合運行條件，與同等模塊的鋁合金材料相比，可減輕重量達35%-40%，有效助力列車減重提速。
據(jù)悉，中國石化還為北京2022冬奧會火炬“飛揚”披上了碳纖維“外衣”，是全球首次實現(xiàn)以碳纖維復合材料制作奧運火炬外殼，解決了氫燃料燃燒時火炬需要耐高溫的技術難題，使其具有“輕、固、美”等特點，能夠實現(xiàn)在高于800攝氏度的氫氣燃燒環(huán)境中正常使用，相比冰冷的金屬火炬外殼，“飛揚”更加讓火炬手感到溫暖，助力“綠色奧運”。
碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度新型纖維材料，力學性能優(yōu)異，質量是鋼的四分之一，強度卻是鋼的七至九倍，并且還具有耐腐蝕的特性，被稱為“新材料之王”，也被稱為“黑黃金”，可廣泛應用于飛機部件、軌道交通原材料、車身制造等，在各行各業(yè)有著廣泛的應用前景。
據(jù)了解，廣州地鐵18號線被譽為粵港澳大灣區(qū)最快地鐵，最高時速可達160公里，擔任運營任務的“灣區(qū)藍”列車是國內首列車頭罩采用輕質高強碳纖維復合材料的地鐵列車。自2019年起，中國石化和中國中車開展協(xié)同創(chuàng)新，攻克了碳纖維復合材料在軌道交通領域規(guī)模應用關鍵核心技術，建立了完整的技術研發(fā)體系，形成了世界領先的“一站式”輕量化技術解決方案，最終實現(xiàn)了此次碳纖維復合材料在“灣區(qū)藍”列車上的成功應用。
下一步，中國石化碳纖維還將在廣州地鐵22號線列車上應用。此外，中國石化和中國中車的研發(fā)團隊還正在積極開展應用于時速400公里高速列車、磁懸浮列車等更高性能等級車型的碳纖維復合材料技術攻關，為我國碳纖維及其復合材料的產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展開辟更廣闊的領域。
碳纖維技術有著森嚴的技術壁壘，中國石化上海石化是國內較早研發(fā)碳纖維并進行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的企業(yè)。早在2012年，該公司采用自主研發(fā)的碳纖維成套技術，生產(chǎn)12K小絲束碳纖維。2018年，該公司成功試制出了具有國際先進水平的48K大絲束碳纖維。據(jù)悉，中國石化擁有自主知識產(chǎn)權開發(fā)的碳纖維技術，目前申請專利居國內第一、全球第三。
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揭秘黑黃金“碳纖維”的“冶煉”之旅
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(fā)的碳纖維及其復合材料制成，屬世界首創(chuàng)！
碳纖維也被稱為“黑黃金”，其力學性能優(yōu)異，比重不到鋼的四分之一，強度卻是鋼的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(yè)有著廣泛的應用前景。
上海石化是中國石化系統(tǒng)內唯一研發(fā)生產(chǎn)碳纖維的企業(yè)，也是內第一家率先突破48K大絲束碳纖維產(chǎn)業(yè)化技術的企業(yè)。截至目前，上海石化擁有申請?zhí)祭w維相關專利274項、授權165項，碳纖維相關專利申請數(shù)排名全國第一、全球第三，是國內第一家、全球第四家掌握碳纖維大絲束的企業(yè)。
碳纖維的發(fā)展之路：被譽為“黑黃金”的神奇碳纖維，背后其實有著很曲折的逆襲歷史。
1.始于白熾燈的發(fā)明：碳纖維第一次被提出要追溯到1880年，發(fā)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、制作方法復雜、壽命比鎢絲短，最終被鎢絲取代了。
2.人造絲碳纖維出現(xiàn)：20世紀早期，粘膠和醋酯等人造纖維的出現(xiàn)，把碳纖維技術引入“再發(fā)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，產(chǎn)品用作火箭噴管和鼻錐的燒蝕材料，效果很好。
3.PAN基碳纖維誕生：20世紀60年代初，日本大阪工業(yè)研究所的近藤昭男發(fā)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、鋰電池、體育用品領域的廣泛應用帶來了20世紀70年代碳纖維產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。
4.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(yè)公司采用大谷杉郎的專利，首先建成年產(chǎn)120噸普通型（GPCF）瀝青基碳纖維的生產(chǎn)廠，1978年產(chǎn)量增到240噸。
5.高性能PAN基碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)： 1969年日本碳公司開發(fā)高性能PAN基碳纖維獲得成功。1971年東麗公司將產(chǎn)品Torayca投放市場。隨后，產(chǎn)品的性能、品種、產(chǎn)量不斷發(fā)展，至今仍處于世界領先地位。 1982年起，日本、美國、英國的多家公司先后生產(chǎn)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產(chǎn)品，使應用開發(fā)進入一個新的高水平階段。
國內碳纖維發(fā)展之路：我國在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(fā)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(fā)展進入新階段，2007年產(chǎn)能進入飛速發(fā)展階段，國內也相繼出現(xiàn)了多家碳纖維生產(chǎn)企業(yè)。
上海石化碳纖維發(fā)展之路：十年磨出“黑黃金”，實現(xiàn)從12K到48K的飛躍。早在上世紀八十年代，上海石化作為國內最大的腈綸生產(chǎn)企業(yè)。依托腈綸產(chǎn)業(yè)優(yōu)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(jīng)驗。2007年，中國石化決策部署PAN基碳纖維的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化攻關工作，并將建設項目落實在了上海石化。
碳纖維技術有著森嚴的技術壁壘，迄今為止也只有日本、美國等少數(shù)發(fā)達國家擁有并掌握。
在各方團隊的齊心協(xié)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(fā)的國內獨有的NaSCN（硫氰酸鈉）濕法工藝、自主知識產(chǎn)權的成套技術，上海石化年產(chǎn)3000噸原絲、1500噸碳纖維項目一階段工程建成投產(chǎn)，形成了每年3000噸聚合物、1500噸原絲、500噸碳纖維的工業(yè)化生產(chǎn)能力。
時隔10年后，2021年5月，上海石化1000噸／年碳纖維生產(chǎn)線建成投產(chǎn)，產(chǎn)出合格產(chǎn)品。二階段項目在建設中，國產(chǎn)裝備應用率較一階段項目提升了10%，進一步增強我國碳纖維關鍵核心技術，提升我國碳纖維生產(chǎn)的綜合競爭力。
技術鏈接：在碳纖維行業(yè)內，通常將每束碳纖維根數(shù)大于48000根（簡稱48K）的稱為大絲束碳纖維。目前，國內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(yōu)勢，就是在相同的生產(chǎn)條件下，可大幅度提高碳纖維單線產(chǎn)能和質量性能，并實現(xiàn)生產(chǎn)低成本化，從而打破碳纖維高昂價格帶來的應用局限。
數(shù)量從1.2萬個放大到4.8萬個這么簡單，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(jīng)驗作支撐，才能解決很多關鍵的技術難點，而上海石化經(jīng)過10年磨一劍，創(chuàng)造了這一條件?？梢哉f，從12K到48K的成功突破，標志著上海石化碳纖維技術從量變到質變的飛躍，不僅填補了國內空白，而且達到了國際先進水平。
碳纖維生產(chǎn)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巖石地層里的、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。
被石油工人開采出來的石油進入煉廠之后，經(jīng)過常減壓裝置蒸餾處理，可以從中提取石腦油等組分。接下來將石腦油送到乙烯裝置，在溫度700~900攝氏度的乙烯裂解爐中，將其裂解成丙烯。當丙烯與氨、氧氣走到一起，在催化劑的推波助瀾之下，發(fā)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(jīng)過聚合反應，不斷連接在一起，形成了具有螺旋結構的聚丙烯腈大分子長鏈，這些長鏈卷曲纏繞在一起，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鏈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板的噴絲孔里高速擠出，在特制的溶液中凝固成型。經(jīng)過一系列的機械拉伸，形成致密規(guī)整的白色原絲。白色原絲經(jīng)過氧化、高低溫碳化等連續(xù)工藝，就像生面團烤制面餅，顏色從白變黃，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(yè)化的大背景下，碳纖維用途正趨向多樣化，憑借著輕而強、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、結構尺寸穩(wěn)定性好及設計性好、可大面積整體成型等優(yōu)異性能，碳纖維已在航空航天、國防軍工和民用工業(yè)的各個領域得到廣泛應用。
作為國內第一家率先突破48K大絲束碳纖維產(chǎn)業(yè)化技術的企業(yè)，自上海石化碳纖維問世后，在各個領域得到廣泛應用，對“中國制造”產(chǎn)生積極的推動作用。
碳纖維抽油桿應用于采油產(chǎn)業(yè)。在2019年9月舉辦的第21屆中國國際工業(yè)博覽會上，由上海石化、勝利油田、勝利油田新大管業(yè)3家共同申報的“以碳纖維及其連續(xù)抽油桿研制為核心的新型高效機采系統(tǒng)”，獲工博會首次設立的中國國際工業(yè)博覽會大獎，成為一個以開發(fā)、應用碳纖維新材料提升傳統(tǒng)采油產(chǎn)業(yè)的成功案例。目前，該系統(tǒng)在勝利油田進行應用，性能優(yōu)良，與國外碳纖維水平相當，完全可以取代進口。目前，已在國內五大油田94個區(qū)塊545口井進行產(chǎn)業(yè)化應用，實現(xiàn)了直接經(jīng)濟效益2.45億元。
碳纖維耐磨制件應用于腈綸紡絲機械設備。2019年2月，由上海石化研制開發(fā)的碳纖維耐磨片被應用到腈綸紡絲機械設備上，這是碳纖維復合材料在工業(yè)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(yè)機械設備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(yè)用耐磨片以碳纖維增強聚醚醚酮（PEEK）樹脂復合材料為基礎，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(yōu)異性能，使用壽命可延長3～4倍，有效提高了生產(chǎn)連續(xù)性，保證了腈綸絲束質量。
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固工程。近年來，上海石化與哈爾濱工業(yè)大學等院校在碳纖維復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。在莫桑比克N6公路、天津津濱高速立交橋、沈陽至丹東鐵路線、遼寧蓡窩水庫等病險基礎設施維修工程中，采用碳纖維拉擠板材加固，不僅施工高效便捷，而且結構承載力明顯增強。同時，在加固修補液相丙烯、抽余碳四、火炬氣、甲烷氫、氮氣、污水等石油石化管道、高腐蝕設備、化工車間受腐蝕建筑等方面應用效果良好，形成了豐富的應用經(jīng)驗，具有良好的示范作用。
碳纖維鋼筋替代傳統(tǒng)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，將碳纖維與樹脂結合，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(yōu)點。權威部門測試鑒定結果表明，制品的抗拉強度、彈性模量等關鍵指標均優(yōu)于國家相關規(guī)范標準。由上海石化與中建八局、哈爾濱工業(yè)大學等單位合作開發(fā)的碳纖維筋，不但能降低構筑物自重，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，能有效提高建筑物的耐久性能，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(tǒng)工程材料，表明上海石化碳纖維復合材料的應用在國內土木工程領域處于領先水平。
打造人才高低，上海石化碳纖維的“硅谷”：2020年8月28日，上海石化先進材料創(chuàng)新研究院揭牌成立。這是上海石化在科技創(chuàng)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產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，推進中高端新材料產(chǎn)業(yè)企地融合發(fā)展。科研工作，最重要的是人才。目前，創(chuàng)新研究院通過內外部結合招聘，64人中，博士8人、碩士21人、本科21人，成為上海石化名副其實的“硅谷”。 同時，該院與上海碳纖維復合材料創(chuàng)新研究院、陶氏化學、華東理工大學、東華大學等高新企業(yè)、高校院所開展各項技術交流，共建合作推動高質量發(fā)展。
目前，上海石化正著力打造中高端新材料產(chǎn)業(yè)集群，接下來，上海石化將著力開展核心技術研究，努力形成碳纖維工程化成套技術；努力打造以碳纖維產(chǎn)業(yè)為核心，以聚酯、聚烯烴、彈性體、碳五下游精細化工新材料產(chǎn)業(yè)為延伸的中高端新材料產(chǎn)業(yè)集群；利用研發(fā)制造碳纖維復合材料火炬外殼的契機，加快推進碳纖維及其復合材料核心技術攻關，為上海石化轉型發(fā)展、創(chuàng)新發(fā)展、跨越發(fā)展打造新引擎、匯聚新動能。
新聞鏈接：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(fā)絲1/15粗細，如何將這么細的碳纖維絲變成不同形狀碳纖維復合材料呢？上海石化聞令而動，立即組織內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(huán)境下正常使用（傳統(tǒng)的碳纖維復合材料耐溫一般不超過250攝氏度，更不能經(jīng)受燃燒），攻關團隊通過反反復復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復合材料，該材料耐高溫性能優(yōu)異，滿足火炬上段燃燒環(huán)境的使用；下段采用碳纖維樹脂基復合材料，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么做？攻關團隊幾經(jīng)周折，慕名找到東華大學三維編織團隊。200多錠碳纖維，從3個不同的維度像編織羊毛衫一樣，成功塑造出絲帶飄舞的優(yōu)美造型。
隨后將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。
來源：中國石化
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