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(guó)石化新聞辦獲悉,近日,中國(guó)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(hào)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(guó)石化還為北京2022冬奧會(huì)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(hào)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(yíng)任務(wù)的“灣區(qū)藍(lán)”列車是國(guó)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(guó)石化和中國(guó)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(guó)石化碳纖維還將在廣州地鐵22號(hào)線列車上應(yīng)用。此外,中國(guó)石化和中國(guó)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(jí)車型的碳纖維復(fù)合材料技術(shù)攻關(guān),為我國(guó)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(guó)石化上海石化是國(guó)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(guó)際先進(jìn)水平的48K大絲束碳纖維。據(jù)悉,中國(guó)石化擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)開發(fā)的碳纖維技術(shù),目前申請(qǐng)專利居國(guó)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(huì)正在舉行,奧運(yùn)火炬“飛揚(yáng)”憑借其動(dòng)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(guó)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(guó)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(qǐng)?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(qǐng)數(shù)排名全國(guó)第一、全球第三,是國(guó)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(guó)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(chǎng)。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(guó)、英國(guó)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(guó)內(nèi)碳纖維發(fā)展之路:我國(guó)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(zhǎng)期發(fā)展緩慢,工藝流程長(zhǎng)、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(guó)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(guó)內(nèi)最大的腈綸生產(chǎn)企業(yè)。依托腈綸產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì),率先開展對(duì)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(guó)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(guó)等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)內(nèi)獨(dú)有的NaSCN(硫氰酸鈉)濕法工藝、自主知識(shí)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(guó)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(guó)碳纖維關(guān)鍵核心技術(shù),提升我國(guó)碳纖維生產(chǎn)的綜合競(jìng)爭(zhēng)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(jiǎn)稱48K)的稱為大絲束碳纖維。目前,國(guó)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(shì),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(jiǎn)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??梢哉f,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(guó)內(nèi)空白,而且達(dá)到了國(guó)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(huì)“飛揚(yáng)”的制備流程十分漫長(zhǎng),是一次漫長(zhǎng)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(zhǎng)鏈,這些長(zhǎng)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(dòng)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?gòu)狞S變黑,纖維也越變?cè)郊?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(guó)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(guó)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(duì)“中國(guó)制造”產(chǎn)生積極的推動(dòng)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(guó)國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)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(huì)首次設(shè)立的中國(guó)國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)大獎(jiǎng),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(guó)外碳纖維水平相當(dāng),完全可以取代進(jìn)口。目前,已在國(guó)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(zhǎng)期依賴進(jìn)口的被動(dòng)局面。工業(yè)機(jī)械設(shè)備長(zhǎng)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(rùn)滑等優(yōu)異性能,使用壽命可延長(zhǎng)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(kù)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(cè)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(guó)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(zhǎng)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(guó)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。科研工作,最重要的是人才。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(dòng)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(dòng)能。
新聞鏈接:從碳纖維到“飛揚(yáng)”火炬
2020年6月,一則上級(jí)通知突然降臨:應(yīng)冬奧組委要求,中國(guó)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(dòng),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(mèng)之路。
因冬奧會(huì)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(guó)石化
評(píng)論