拆解冬奧會(huì)火炬“中國創(chuàng)造”：碳纖維“織”出火炬絲帶曲線

冬奧會(huì)火炬。受訪者供圖

2022年北京冬奧會(huì)火炬有一個(gè)充滿動(dòng)感的名字——“飛揚(yáng)”。外形酷似兩條交織舞動(dòng)的絲帶，不僅在設(shè)計(jì)上具有美感和力量，背靠的更是中國企業(yè)的潛心研發(fā)與匠心打造。

此次火炬“飛揚(yáng)”采用了三維編織技術(shù)，這是碳纖維成型過程中的一個(gè)技術(shù)突破。中國石化上海石化公司副總經(jīng)理、冬奧火炬量產(chǎn)項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)小組副組長黃翔宇向新京報(bào)貝殼財(cái)經(jīng)記者講述，生產(chǎn)車間里，一條條黑色絲束，每一束都包含著1.2萬根碳纖維絲。經(jīng)過三維立體編織，最終就像“織毛衣”一樣織成了火炬外殼。

中國企業(yè)的創(chuàng)新突破遠(yuǎn)非如此。3D打印、高壓儲(chǔ)氫、火焰顯色……小小的一支火炬，凝結(jié)了大量科技和工程成果，體現(xiàn)了綠色低碳的環(huán)保理念。

中國石化上海石化碳纖維生產(chǎn)車間。受訪者供圖

“飛揚(yáng)”又輕又美有秘訣

火炬接力預(yù)示著奧運(yùn)會(huì)的開始，也是奧運(yùn)會(huì)的重要元素。點(diǎn)火，擊掌，起跑，火炬手們不斷接力，手擎“飛揚(yáng)”，跑過了北京奧林匹克森林公園、北京冬奧公園、首鋼園、延慶八達(dá)嶺長城、河北張家口陽原泥河灣遺址公園……

陳小兵是冬奧公園里的第260棒火炬手，他對新京報(bào)貝殼財(cái)經(jīng)記者表示，火炬“飛揚(yáng)”材質(zhì)較輕，單手拿不吃力。這是“飛揚(yáng)”筒身黑科技——碳纖維復(fù)合材料的功勞，北京冬奧會(huì)也是全球首次以碳纖維復(fù)合材料制作奧運(yùn)火炬外殼。

本屆北京冬奧會(huì)，由中國石化牽頭負(fù)責(zé)火炬外殼研發(fā)及火炬量產(chǎn)工作，中國石化上海石化承制。黃翔宇接受新京報(bào)貝殼財(cái)經(jīng)記者采訪時(shí)回憶，在尋找火炬外殼材料的過程中，為了契合“綠色辦奧”理念，體現(xiàn)藝術(shù)設(shè)計(jì)與科技創(chuàng)新的完美融合，研發(fā)團(tuán)隊(duì)將目光投向了碳纖維。

碳纖維的密度只有鋼的1/4左右，但是強(qiáng)度是鋼的7-9倍，用碳纖維制成的火炬很輕，火炬外殼重量較鋁合金外殼輕20%以上，而且很牢固，“隨便怎么摔也摔不壞”。

不過，碳纖維雖然具有輕巧牢固的優(yōu)點(diǎn)，但也帶來一些難題，其中就包括不耐高溫?！帮w揚(yáng)”的燃燒口在內(nèi)殼和外殼之間，這要求外殼能夠經(jīng)受住800℃以上的高溫。

黃翔宇告訴貝殼財(cái)經(jīng)記者，碳纖維復(fù)合材料本身強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)小，但耐溫一般不超過250℃，所以怎么做到保證火炬耐燃燒且表面不開裂、起泡，成為一大難點(diǎn)。

通過上海市經(jīng)信委材料處介紹，上海石化火炬研發(fā)團(tuán)隊(duì)尋到突破口——上海金山區(qū)一家企業(yè)研發(fā)了一種樹脂，耐火、耐高溫，研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過一番測試分析后，將其與碳纖維一起制成碳纖維復(fù)合材料。最終，通過反復(fù)調(diào)整工藝，使火炬外殼材料達(dá)到了既能夠耐高溫又能夠耐火的要求，在800℃、900℃的燃燒環(huán)境下都可以正常使用。

火炬“飛揚(yáng)”實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)上升的不規(guī)則造型，也是碳纖維成型過程中的一個(gè)技術(shù)突破。黃翔宇稱，“飛揚(yáng)”采用了三維編織技術(shù)，生產(chǎn)車間里，一條條黑色絲束，每一束都包含著1.2萬根碳纖維絲。經(jīng)過三維立體編織，最終就像“織毛衣”一樣織成了火炬外殼，看不出任何接縫與孔隙，整個(gè)造型渾然一體。

中國石化冬奧火炬團(tuán)隊(duì)正在組裝火炬，為北京冬奧提供保障。受訪者供圖

1200支火炬量產(chǎn)，歷時(shí)近5個(gè)月

火炬面世，凝聚了科研人員和工程師的智慧和心血。

手持火炬的內(nèi)部空間比較狹小，要裝入保證足夠長燃燒時(shí)間的氫氣，需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)高達(dá)幾百倍的大比例減壓。為此，中國航天科技集團(tuán)等研制了一款輕量化小型化的氫氣減壓裝置。此外氫氣燃燒火焰呈淡藍(lán)色，在日光下不易顯色，研發(fā)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種可以調(diào)節(jié)氫氣火焰顏色的配方，讓它在日光下具有可見的紅黃色。

黃翔宇對貝殼財(cái)經(jīng)記者進(jìn)行技術(shù)上拆解，火炬分為外飄帶、內(nèi)飄帶和氫氣燃燒裝置三個(gè)組成部分，每一部分均有大量科技成果。外飄帶主要采用了陶瓷化成型技術(shù)、三維編織技術(shù)、RTM成型技術(shù)、鐳雕技術(shù)、自動(dòng)噴涂技術(shù)等?；鹁鎯?nèi)飄帶成品要求有絲綢飄逸質(zhì)感，納米級陶瓷涂層厚度，耐受800℃-1000℃高溫，主要采用3D打印、打磨、噴砂等技術(shù)。火炬的燃燒裝置由中國航天科技集團(tuán)研制，解決了火焰顏色與穩(wěn)定性、高壓儲(chǔ)氫、氫能安全利用等多項(xiàng)技術(shù)難題。

研發(fā)只是火炬生產(chǎn)的第一步，量產(chǎn)同樣打起持久戰(zhàn)。

中國石化上海石化先進(jìn)材料創(chuàng)新研究院總經(jīng)理林生兵對貝殼財(cái)經(jīng)記者表示，經(jīng)過前期開展大量深化設(shè)計(jì)和產(chǎn)品驗(yàn)證等工作，2021年8月份，上海石化正式啟動(dòng)量產(chǎn)工作，至當(dāng)年12月底基本完成量產(chǎn)任務(wù)，整個(gè)量產(chǎn)過程用了近5個(gè)月時(shí)間。2022年1月27日，1200支北京冬奧會(huì)火炬“飛揚(yáng)”正式交付北京冬奧組委。

到此時(shí)，上海石化的任務(wù)并沒有結(jié)束。林生兵稱，2月2日至4日三天火炬?zhèn)鬟f時(shí)間，上海石化冬奧火炬團(tuán)隊(duì)全程參與火炬?zhèn)鬟f保障工作，整個(gè)團(tuán)隊(duì)分成組裝和現(xiàn)場服務(wù)保障兩個(gè)小組。

火炬在每位火炬手中間傳遞，還有著這樣一段鮮為人知的旅程：在火炬組裝基地，上海石化的組裝團(tuán)隊(duì)從1月28日開始組裝火炬，每支火炬組裝完成后要點(diǎn)火10秒左右進(jìn)行檢漏，確認(rèn)氫氣沒有泄漏。每一天，傳遞所用的火炬當(dāng)天凌晨發(fā)貨，由火炬組裝基地運(yùn)輸?shù)礁鱾€(gè)傳遞點(diǎn)位。而每一棒火炬手傳遞完，會(huì)由現(xiàn)場服務(wù)保障團(tuán)隊(duì)進(jìn)行燃燒裝置的拆卸和回收。此后，火炬會(huì)贈(zèng)送給火炬手作為紀(jì)念，燃燒裝置則被運(yùn)送回火炬組裝基地，進(jìn)行循環(huán)利用。

氫燃料“時(shí)間”：日供氫能力5000公斤

往屆奧運(yùn)會(huì)大量使用液化天然氣或丙烷等氣體，北京冬奧會(huì)是奧運(yùn)歷史上首次使用氫能作為火炬燃料。

北京冬奧會(huì)的主火炬氫氣燃料由中國石化燕山石化供應(yīng)。中國石化燕山石化首席專家、新能源辦公室主任李軍良接受貝殼財(cái)經(jīng)記者采訪時(shí)稱，氫氣是最潔凈環(huán)保的燃料。傳統(tǒng)的液化天然氣或丙烷等燃料，其主要組成是甲烷、乙烷、丙烷等低碳烷烴。與之相比，氫氣燃燒的時(shí)候只產(chǎn)生水，不產(chǎn)生二氧化碳，更不會(huì)發(fā)生燃燒不充分冒煙的現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)完全的零排放。同時(shí)，氫的沸點(diǎn)很低，可在極低的溫度下穩(wěn)定燃燒。選用氫氣作為奧運(yùn)火炬燃料，能夠真正體現(xiàn)北京冬奧會(huì)綠色、低碳、可持續(xù)原則，真正實(shí)現(xiàn)奧林匹克精神與“綠色”、“環(huán)?！钡倪M(jìn)一步結(jié)合。

除了為主火炬提供氫燃料之外，中國石化燕山石化還保障冬奧會(huì)賽事氫燃料電池車用氫。李軍良介紹，為服務(wù)于北京冬奧會(huì)氫氣保供，燕山石化新建了氫氣新能源裝置。燕山石化氫氣新能源裝置于2019年3月獲得中國石化批復(fù)，8月完成基礎(chǔ)設(shè)計(jì)批復(fù)，10月進(jìn)場開展施工準(zhǔn)備，于2020年1月2日中期交工，3月27日實(shí)現(xiàn)一次開車成功。該裝置設(shè)計(jì)規(guī)模為2000標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)，采用變壓吸附（PSA）工藝，產(chǎn)出可以滿足燃料電池所用氫氣，純度達(dá)99.999%。

當(dāng)時(shí)，我國氫氣市場尚處于起步階段，市場需求量小，行業(yè)經(jīng)驗(yàn)也比較少，燕山石化氫氣新能源裝置的建設(shè)過程需要克服很多技術(shù)難點(diǎn)。李軍良表示，為了盡快完成建設(shè)，該裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，縮短現(xiàn)場作業(yè)時(shí)間。由于裝置初期不能長周期運(yùn)行，設(shè)計(jì)時(shí)還設(shè)置了快速啟停程序。另外，燃料電池所用氫氣品質(zhì)要求高，特定雜質(zhì)含量要控制在PPm（毫克級）甚至PPb（微克級）級別，并且產(chǎn)品充裝是連續(xù)的，對分析檢驗(yàn)提出更高要求。為此，裝置配置了先進(jìn)的在線分析儀，隨時(shí)跟蹤產(chǎn)品質(zhì)量，確保產(chǎn)品品質(zhì)。

談及冬奧會(huì)所需氫氣的生產(chǎn)與運(yùn)輸，李軍良告訴貝殼財(cái)經(jīng)記者，燕山石化氫氣新能源裝置將粗氫提純凈化，得到純度達(dá)99.999%且特定雜質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)的燃料電池用氫氣。裝置氫氣通過加壓到20兆帕充入專用長管拖車，與加氫站緊密聯(lián)系，晝夜作業(yè)，確保氫氣準(zhǔn)時(shí)運(yùn)送到奧運(yùn)車輛氫氣加注站。中國石化在北京、河北建設(shè)了4座服務(wù)冬奧加氫站，日供氫能力共計(jì)5000公斤。以慶園街加氫站為例，占地面積2500平方米，日供氫能力1500公斤，每天可為80輛12米公交巴士提供加氫服務(wù)，是由中國石化與北京公交集團(tuán)聯(lián)手打造的集加氫、光伏、便利店、易捷咖啡于一體的綜合能源服務(wù)站。

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