随着北京冬奥会临近，奥运火炬“飞扬”日渐为人熟知，除了优雅美观的外形，内在也蕴含着不少“黑科技”。作为全球首次以碳纤维复合材料制作的奥运火炬，“飞扬”的外壳不仅要耐火抗高温，还要能在极寒天气中使用。

　　“你们摸一摸看，‘飞扬’的手感很好，天气这么冷，握着却不觉得冰凉。”中石化上海石化创新研究院总经理林生兵向记者展示时，特别强调“飞扬”与众不同的外壳材料，“外壳所用的碳纤维复合材料，质量只有钢的四分之一左右，但是强度却是钢的7到9倍”。

　　碳纤维“织毛衣”成型

　　2020年6月，林生兵接到通知，为冬奥火炬研制碳纤维外壳。

　　冬奥会火炬传递正是严寒之时，传统金属材料手感不好，碳纤维的复合材料则可以避免这一问题。

　　中石化上海石化公司副总经理黄翔宇介绍，本次火炬采用了三维编织技术，这是碳纤维成型当中的一个技术突破，每一条黑色丝束都包含着12000根碳纤维丝。经过三维立体编织，最终就像“织毛衣”一样织成了火炬外壳，看不出任何接缝与孔隙，整个造型浑然一体。

　　看似简单的火炬外壳，内部却大有乾坤。林生兵告诉记者，火炬主要分为三个部分：外飘带、内飘带和氢气燃烧装置。最外面一层称为“外飘带”，由碳纤维与高温阻燃树脂的合成材料构成，里面还有一层内壳“内飘带”，用的是铝合金材质，燃烧口就在内外壳之间。而火炬内部还有一个小型的储氢瓶和减压阀，可以轻松拆卸用来换气瓶。

　　攻克耐燃烧耐高温难题

　　相比之下，碳纤维复合材料的“先天不足”更是困扰林生兵许久。

　　记者了解到，碳纤维就好比一层布料，需要“骨架”支撑才能更好塑形，但一般树脂和碳纤维复合材料只能经受200℃左右的温度，而火炬燃烧口则必须经受住800℃以上的高温。

　　最终，他们在上海石化的“邻居”——金山二工区一家企业找到了解决方案。

　　库贝化学（上海）有限公司是一家仅有14名员工的创业团队，他们花费5年时间研发出的第三代聚硅氮烷树脂，最高能经受住1200℃的高温，而氢气燃烧温度一般为800℃。

　　“传统的耐高温材料一般是无机的，没有附着力无法形成涂层，聚硅氮烷树脂是有机和无机的复合材料，既能保证耐高温，又有良好的附着力。”库贝化学总经理刘章友告诉记者，最开始的方案是普通树脂和碳纤维合成材料外加上聚硅氮烷树脂涂层，由于热传导等问题只能推倒重来，最后确定由聚硅氮烷树脂直接与碳纤维合成新材料的方案。经过不断调试，林生兵团队攻克了碳纤维复合材料耐燃烧、耐高温的重大难题，“飞扬”奥运火炬也顺利诞生。

　　火炬技术可用在汽车上

　　在火炬外壳研制的3个月内，上海石化及其合作团队逐一攻克多项技术难题，形成了从碳纤维生产、复合材料制备到产品终端应用的一站式解决方案，解决了碳纤维复合材料耐高温、耐燃烧，以及采用氢气为燃料这两大难题，并形成了三项科技创新亮点：一是以碳纤维复合材料制作火炬外壳，成为世界首创；二是碳纤维复合材料实现了燃烧温度大于800℃氢气燃烧环境下正常使用；三是重量较铝合金外壳轻20%以上，呈现出了“轻、固、美”的特点。

　　碳纤维被誉为“黑黄金”、21世纪新材料之王，有着广阔的应用领域和发展前景，但碳纤维也有着森严的技术壁垒。经过长期研发攻关，上海石化成为国内首家、全球第四家掌握碳纤维大丝束产业化技术的企业。

　　黄翔宇表示，无论是飞机，还是光伏热场材料，以及海上风电的风电叶片，未来都将有碳纤维的应用。“随着新能源车的轻量化，汽车外壳也可以用碳纤维来做。我国碳纤维和碳纤维复合材料的产业发展非常快，将来这个材料可以用在其他更有用的地方。”