从冬奥火炬到高速列车“湾区蓝”

中国石化碳纤维应用再获新突破

中国石化碳纤维应用再获新突破 近日，中国石化上海石化自主研发生产的碳纤维成功应用于广州地铁18号线“湾区蓝”高速列车。运行数据显示，使用碳纤维复合材料的列车车头罩，性能完全符合运行条件，与同等模块的铝合金材料相比，可减轻重量达35%~40%，有效助力列车减重提速。 （图片由中国石化新闻中心提供）

□ 张小宝

中国石化集团上海石化自主研发生产的碳纤维日前成功应用于广州地铁18号线“湾区蓝”高速列车。运行数据显示，使用碳纤维复合材料的列车车头罩，性能完全符合运行条件，与同等模块的铝合金材料相比，可减轻重量达35%~40%，有效助力列车减重提速。

就在此前，中国石化还为北京2022冬奥会火炬“飞扬”披上了碳纤维“外衣”，这是全球首次实现以碳纤维复合材料制作奥运火炬外壳，解决了氢燃料燃烧时火炬需要耐高温的技术难题，使其具有“轻、固、美”等特点，能够实现在高于800℃的氢气燃烧环境中正常使用，相比冰冷的金属火炬外壳，“飞扬”更加让火炬手感到温暖，助力“绿色奥运”。

碳纤维助力“湾区蓝”列车

据上海石化先进材料创新研究院总经理林生兵介绍，碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度新型纤维材料，力学性能优异，质量是钢的1/4，强度却是钢的7倍~9倍，并且还具有耐腐蚀的特性，被称为“新材料之王”，也被称为“黑黄金”，可广泛应用于飞机部件、轨道交通原材料、车身制造等，在各行各业有着广泛的应用前景。

据了解，广州地铁18号线被誉为粤港澳大湾区最快地铁，最高时速可达160公里，担任运营任务的“湾区蓝”列车是国内首列车头罩采用轻质高强碳纤维复合材料的地铁列车。自2019年起，中国石化和中国中车开展协同创新，攻克了碳纤维复合材料在轨道交通领域规模应用的关键核心技术，建立了完整的技术研发体系，形成了世界领先的“一站式”轻量化技术解决方案，最终实现了此次碳纤维复合材料在“湾区蓝”列车上的成功应用。

下一步，中国石化碳纤维还将在广州地铁22号线列车上应用。此外，中国石化和中国中车的研发团队还正在积极开展应用于时速400公里高速列车、磁悬浮列车等更高性能等级车型的碳纤维复合材料技术攻关，为我国碳纤维及其复合材料的产业链发展开辟更广阔的领域。

碳纤维技术有着森严的技术壁垒，中国石化集团上海石化是国内较早研发碳纤维并进行产业化生产的企业。早在2012年，该公司采用自主研发的碳纤维成套技术，生产出12K小丝束碳纤维。2018年，该公司成功试制出了具有国际先进水平的48K大丝束碳纤维。截至目前，上海石化拥有申请碳纤维相关专利274项、授权165项，目前申请专利居国内第一、全球第三，是国内第一家、全球第四家掌握碳纤维大丝束的企业。

揭秘“黑黄金”的冶炼之旅

被誉为“黑黄金”的神奇碳纤维，背后其实有着很曲折的逆袭历史。碳纤维第一次被提出要追溯到1880年，发明电灯泡的爱迪生首次提出了用碳纤维做电灯的灯丝。然而，由于当时的碳纤维亮度不高、制作方法复杂、寿命比钨丝短，最终被钨丝取代了。

20世纪早期，粘胶和醋酯等人造纤维的出现，把碳纤维技术引入“再发明”时代。20世纪50年代初，美国Wright-Patterson空军基地以粘胶纤维为原料，试制碳纤维成功，产品用作火箭喷管和鼻锥的烧蚀材料，效果很好。到20世纪60年代初，日本大阪工业研究所的近藤昭男发明了以聚丙烯腈（PAN）纤维为原料制取碳纤维的方法，并取得了专利，开启了日本的PAN基碳纤维之路。PAN基碳纤维在军工、航空飞机部件、锂电池、体育用品领域的广泛应用带来了20世纪70年代碳纤维产业的飞速发展。

1969年，日本碳公司开发高性能PAN基碳纤维获得成功。1971年，东丽公司将产品Torayca投放市场。随后，产品的性能、品种、产量不断发展，至今仍处于世界领先地位。1982年起，日本、美国、英国的多家公司先后生产出高强、超高强、高模量、超高模量、高强中模及高强高模等类型高性能产品，使应用开发进入一个新的高水平阶段。

我国在20世纪六七十年代也开始了碳纤维研究，但是由于技术与装备封锁，长期发展缓慢，工艺流程长、关键控制点多，其难度可想而知。早在20世纪80年代，上海石化作为国内最大的腈纶生产企业，依托腈纶产业优势，率先开展对碳纤维的交流调研和技术研究工作，并积累了一定的经验。2007年，中国石化决策部署PAN基碳纤维的研发和产业化攻关工作，并将建设项目落实在了上海石化。

2012年9月，采用自行开发的国内独有的NaSCN（硫氰酸钠）湿法工艺、自主知识产权的成套技术，上海石化年产3000吨原丝、1500吨碳纤维项目一阶段工程建成投产，形成了每年3000吨聚合物、1500吨原丝、500吨碳纤维的工业化生产能力。

时隔10年后，2021年5月，上海石化1000吨／年碳纤维生产线建成投产，产出合格产品。随后，在建设二阶段项目中，国产装备应用率较一阶段项目提升了10%，进一步增强我国碳纤维关键核心技术，提升我国碳纤维生产的综合竞争力。

在碳纤维行业内，人们通常将每束碳纤维根数大于48,000根（简称48K）的称为大丝束碳纤维。目前，国内每束碳纤维基本处于1000根～12,000根之间，称为小丝束。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，从而打破碳纤维高昂价格带来的应用局限。

可以说，从12K到48K的成功突破，标志着上海石化碳纤维技术从量变到质变的飞跃，不仅填补了国内空白，而且达到了国际先进水平。

从一滴石油到碳纤维

其实，碳纤维和我们日常戴的口罩“同宗同源”，它们都是亿万年前深埋在岩石地层里的、一坨黑乎乎的——石油。

以最主流的PAN基碳纤维为例，从亿万年前形成的原油到2022北京冬奥会“飞扬”的制备流程十分漫长，也是一次漫长的“飞扬”之旅。

被石油工人开采出来的石油进入炼厂之后，经过常减压装置蒸馏处理，可以从中提取石脑油等组分。接下来将石脑油送到乙烯装置，在温度700℃~900℃的乙烯裂解炉中，将其裂解成丙烯。当丙烯与氨、氧气走到一起，在催化剂的推波助澜之下，发生了丙烯氨氧化反应，得到了碳纤维的原料——丙烯腈。

丙烯腈单体经过聚合反应，不断连接在一起，形成了具有螺旋结构的聚丙烯腈大分子长链，这些长链卷曲缠绕在一起，形成了聚合物聚丙烯腈。聚丙烯腈不溶于水，需要加入特殊溶剂，而后缠结在一起的大分子链才能变成流动的纺丝液体。通过机械剪切和管道输送，大分子逐渐有序排列，纺丝液从类似于淋浴花洒一样的喷丝板的喷丝孔里高速挤出，在特制的溶液中凝固成型。经过一系列的机械拉伸后，形成致密规整的白色原丝。白色原丝再经过氧化、高低温碳化等连续工艺，就像生面团烤制面饼，颜色从白变黄，再从黄变黑，纤维也越变越细，最终形成“黑黄金”碳纤维。

“在当今世界高速工业化的大背景下，碳纤维用途正趋向多样化，凭借着轻而强、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、结构尺寸稳定性好及可大面积整体成型等优异性能，碳纤维已在航空航天、国防军工和民用工业的各个领域得到广泛应用。”林生兵介绍说

目前，上海石化正着力打造中高端新材料产业集群，努力打造以碳纤维产业为核心，以聚酯、聚烯烃、弹性体、碳五下游精细化工新材料产业为延伸的中高端新材料产业集群，为“中国制造”产生积极的推动作用。