前有冬奧火炬“飛揚(yáng)” 今有高速列車“灣區(qū)藍(lán)”
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(yīng)用于廣州地鐵18號線“灣區(qū)藍(lán)”高速列車。運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，使用碳纖維復(fù)合材料的列車車頭罩，性能完全符合運(yùn)行條件，與同等模塊的鋁合金材料相比，可減輕重量達(dá)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(yáng)”披上了碳纖維“外衣”，是全球首次實(shí)現(xiàn)以碳纖維復(fù)合材料制作奧運(yùn)火炬外殼，解決了氫燃料燃燒時(shí)火炬需要耐高溫的技術(shù)難題，使其具有“輕、固、美”等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(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(yáng)”更加讓火炬手感到溫暖，助力“綠色奧運(yùn)”。
碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度新型纖維材料，力學(xué)性能優(yōu)異，質(zhì)量是鋼的四分之一，強(qiáng)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(yīng)用于飛機(jī)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(yīng)用前景。
據(jù)了解，廣州地鐵18號線被譽(yù)為粵港澳大灣區(qū)最快地鐵，最高時(shí)速可達(dá)160公里，擔(dān)任運(yùn)營任務(wù)的“灣區(qū)藍(lán)”列車是國內(nèi)首列車頭罩采用輕質(zhì)高強(qiáng)碳纖維復(fù)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(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域規(guī)模應(yīng)用關(guān)鍵核心技術(shù)，建立了完整的技術(shù)研發(fā)體系，形成了世界領(lǐng)先的“一站式”輕量化技術(shù)解決方案，最終實(shí)現(xiàn)了此次碳纖維復(fù)合材料在“灣區(qū)藍(lán)”列車上的成功應(yīng)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(yīng)用。此外，中國石化和中國中車的研發(fā)團(tuán)隊(duì)還正在積極開展應(yīng)用于時(shí)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(fù)合材料技術(shù)攻關(guān)，為我國碳纖維及其復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展開辟更廣闊的領(lǐng)域。
碳纖維技術(shù)有著森嚴(yán)的技術(shù)壁壘，中國石化上海石化是國內(nèi)較早研發(fā)碳纖維并進(jìn)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(shù)，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(jìn)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(quán)開發(fā)的碳纖維技術(shù)，目前申請專利居國內(nèi)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(yùn)火炬“飛揚(yáng)”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(guān)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(fù)合材料制成，屬世界首創(chuàng)！
碳纖維也被稱為“黑黃金”，其力學(xué)性能優(yōu)異，比重不到鋼的四分之一，強(qiáng)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(yīng)用前景。
上海石化是中國石化系統(tǒng)內(nèi)唯一研發(fā)生產(chǎn)碳纖維的企業(yè)，也是內(nèi)第一家率先突破48K大絲束碳纖維產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的企業(yè)。截至目前，上海石化擁有申請?zhí)祭w維相關(guān)專利274項(xiàng)、授權(quán)165項(xiàng)，碳纖維相關(guān)專利申請數(shù)排名全國第一、全球第三，是國內(nèi)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(yù)為“黑黃金”的神奇碳纖維，背后其實(shí)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(dāng)時(shí)的碳纖維亮度不高、制作方法復(fù)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(jì)早期，粘膠和醋酯等人造纖維的出現(xiàn)，把碳纖維技術(shù)引入“再發(fā)明”時(shí)代。20世紀(jì)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(jì)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(jī)部件、鋰電池、體育用品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用帶來了20世紀(jì)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(qū)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(xué)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(lǐng)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(qiáng)、超高強(qiáng)、高模量、超高模量、高強(qiáng)中模及高強(qiáng)高模等類型高性能產(chǎn)品，使應(yīng)用開發(fā)進(jìn)入一個(gè)新的高水平階段。
國內(nèi)碳纖維發(fā)展之路：我國在20世紀(jì)六七十年代也開始了碳纖維研究，但是由于技術(shù)與裝備封鎖，長期發(fā)展緩慢，工藝流程長、關(guān)鍵控制點(diǎn)多，其難度可想而知。2000年起碳纖維發(fā)展進(jìn)入新階段，2007年產(chǎn)能進(jìn)入飛速發(fā)展階段，國內(nèi)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(shí)現(xiàn)從12K到48K的飛躍。早在上世紀(jì)八十年代，上海石化作為國內(nèi)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(diào)研和技術(shù)研究工作，并積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。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(guān)工作，并將建設(shè)項(xiàng)目落實(shí)在了上海石化。
碳纖維技術(shù)有著森嚴(yán)的技術(shù)壁壘，迄今為止也只有日本、美國等少數(shù)發(fā)達(dá)國家擁有并掌握。
在各方團(tuán)隊(duì)的齊心協(xié)力下，碳纖維攻關(guān)快速推進(jìn)：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(nèi)獨(dú)有的NaSCN（硫氰酸鈉）濕法工藝、自主知識產(chǎn)權(quán)的成套技術(shù)，上海石化年產(chǎn)3000噸原絲、1500噸碳纖維項(xiàng)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(shí)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(xiàng)目在建設(shè)中，國產(chǎn)裝備應(yīng)用率較一階段項(xiàng)目提升了10%，進(jìn)一步增強(qiáng)我國碳纖維關(guān)鍵核心技術(shù)，提升我國碳纖維生產(chǎn)的綜合競爭力。
技術(shù)鏈接：在碳纖維行業(yè)內(nèi)，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(nèi)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(zhì)量性能，并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)低成本化，從而打破碳纖維高昂價(jià)格帶來的應(yīng)用局限。
數(shù)量從1.2萬個(gè)放大到4.8萬個(gè)這么簡單，中間要走過一條十分艱難的攻關(guān)之路，這需要深厚的科研理論作指導(dǎo)，豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)作支撐，才能解決很多關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)，而上海石化經(jīng)過10年磨一劍，創(chuàng)造了這一條件。可以說，從12K到48K的成功突破，標(biāo)志著上海石化碳纖維技術(shù)從量變到質(zhì)變的飛躍，不僅填補(bǔ)了國內(nèi)空白，而且達(dá)到了國際先進(jìn)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?nèi)粘４鞯目谡?ldquo;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(yáng)”的制備流程十分漫長，是一次漫長的“飛揚(yáng)”之旅。
被石油工人開采出來的石油進(jìn)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(dāng)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(yīng)，得到了碳纖維的原料——丙烯腈。
丙烯腈單體經(jīng)過聚合反應(yīng)，不斷連接在一起，形成了具有螺旋結(jié)構(gòu)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(jié)在一起的大分子鏈才能變成流動的紡絲液體。通過機(jī)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(jī)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(tuán)烤制面餅，顏色從白變黃，再從黃變黑，纖維也越變越細(xì)，最終形成“黑黃金”碳纖維。
碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域：在當(dāng)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(qiáng)、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好及設(shè)計(jì)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(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
作為國內(nèi)第一家率先突破48K大絲束碳纖維產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的企業(yè)，自上海石化碳纖維問世后，在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，對“中國制造”產(chǎn)生積極的推動作用。
碳纖維抽油桿應(yīng)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(bào)的“以碳纖維及其連續(xù)抽油桿研制為核心的新型高效機(jī)采系統(tǒng)”，獲工博會首次設(shè)立的中國國際工業(yè)博覽會大獎，成為一個(gè)以開發(fā)、應(yīng)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(jìn)行應(yīng)用，性能優(yōu)良，與國外碳纖維水平相當(dāng)，完全可以取代進(jìn)口。目前，已在國內(nèi)五大油田94個(gè)區(qū)塊545口井進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了直接經(jīng)濟(jì)效益2.45億元。
碳纖維耐磨制件應(yīng)用于腈綸紡絲機(jī)械設(shè)備。2019年2月，由上海石化研制開發(fā)的碳纖維耐磨片被應(yīng)用到腈綸紡絲機(jī)械設(shè)備上，這是碳纖維復(fù)合材料在工業(yè)領(lǐng)域的又一成功應(yīng)用，打破了耐磨制件長期依賴進(jìn)口的被動局面。工業(yè)機(jī)械設(shè)備長期以來采用進(jìn)口材質(zhì)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(qiáng)聚醚醚酮（PEEK）樹脂復(fù)合材料為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)造粒技術(shù)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(zhì)量。
碳纖維補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用于公路、立交橋、高鐵、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施維修加固工程。近年來，上海石化與哈爾濱工業(yè)大學(xué)等院校在碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)領(lǐng)域攜手攻關(guān)，目前，碳纖維補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于公路、立交橋、高鐵、隧道等存在病險(xiǎn)的基礎(chǔ)設(shè)施維修工程。在莫桑比克N6公路、天津津?yàn)I高速立交橋、沈陽至丹東鐵路線、遼寧蓡窩水庫等病險(xiǎn)基礎(chǔ)設(shè)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(jié)構(gòu)承載力明顯增強(qiáng)。同時(shí)，在加固修補(bǔ)液相丙烯、抽余碳四、火炬氣、甲烷氫、氮?dú)?、污水等石油石化管道、高腐蝕設(shè)備、化工車間受腐蝕建筑等方面應(yīng)用效果良好，形成了豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，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(jié)構(gòu)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(jié)合，制成形似鋼筋的一種新材料，具有強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。權(quán)威部門測試鑒定結(jié)果表明，制品的抗拉強(qiáng)度、彈性模量等關(guān)鍵指標(biāo)均優(yōu)于國家相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。由上海石化與中建八局、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位合作開發(fā)的碳纖維筋，不但能降低構(gòu)筑物自重，而且大幅增強(qiáng)了混凝土筋結(jié)構(gòu)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(hù)成本，延長使用期限。碳纖維筋突破應(yīng)用局限替代傳統(tǒng)工程材料，表明上海石化碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用在國內(nèi)土木工程領(lǐng)域處于領(lǐng)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(jìn)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(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，推進(jìn)中高端新材料產(chǎn)業(yè)企地融合發(fā)展?？蒲泄ぷ鳎钪匾氖侨瞬?。目前，創(chuàng)新研究院通過內(nèi)外部結(jié)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(shí)的“硅谷”。 同時(shí)，該院與上海碳纖維復(fù)合材料創(chuàng)新研究院、陶氏化學(xué)、華東理工大學(xué)、東華大學(xué)等高新企業(yè)、高校院所開展各項(xiàng)技術(shù)交流，共建合作推動高質(zhì)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(shù)研究，努力形成碳纖維工程化成套技術(shù)；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(xì)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(fù)合材料火炬外殼的契機(jī)，加快推進(jìn)碳纖維及其復(fù)合材料核心技術(shù)攻關(guān)，為上海石化轉(zhuǎn)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(yáng)”火炬
2020年6月，一則上級通知突然降臨：應(yīng)冬奧組委要求，中國石化上海石化為火炬“飛揚(yáng)”研制碳纖維外殼。
碳纖維單根僅有頭發(fā)絲1/15粗細(xì)，如何將這么細(xì)的碳纖維絲變成不同形狀碳纖維復(fù)合材料呢？上海石化聞令而動，立即組織內(nèi)部攻關(guān)團(tuán)隊(duì)和外部合作團(tuán)隊(duì)，開啟了編織“飛揚(yáng)”夢之路。
因冬奧會火炬外飄帶有“中部大兩頭小”特點(diǎn)，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(fù)合材料耐溫一般不超過250攝氏度，更不能經(jīng)受燃燒），攻關(guān)團(tuán)隊(duì)通過反反復(fù)復(fù)200多次的試驗(yàn)和研究，最終采取分段模具設(shè)計(jì)、分段固化成型的方式，滿足了其耐燃燒及脫模需求，同時(shí)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(yù)制件。上段采用碳纖維陶瓷基復(fù)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(fù)合材料，該材料力學(xué)強(qiáng)度高，滿足火炬的整體使用強(qiáng)度。
火炬外殼旋轉(zhuǎn)上升，如絲帶飄舞的造型怎么做？攻關(guān)團(tuán)隊(duì)幾經(jīng)周折，慕名找到東華大學(xué)三維編織團(tuán)隊(duì)。200多錠碳纖維，從3個(gè)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(yáng)”外殼。
來源：中國石化
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