随着北京冬奥会的临近，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。”
外壳：碳纤维“织毛衣”成型
时间追溯到2020年6月，林生兵突然接到一则上级通知：应冬奥组委要求，为火炬“飞扬”研制碳纤维外壳。
“2008年北京奥运会的‘祥云’火炬是金属外壳，性能稳定但触感很冷。”林生兵表示，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，“碳纤维的质量只有钢的四分之一左右，但是强度是钢的7至9倍。碳纤维的自重轻又牢固摔不坏的特性，特别适合火炬的制作材料。”
据了解，北京冬奥组委面向全社会公开征集火炬外观设计，一共收到182件应征作品，最终经过设计和燃烧方面等专家们的反复遴选、评审，最终确定了一种内外飘带结合的火炬造型，命名为“飞扬”，成为2022年冬奥会和冬残奥会的火炬设计方案。按照北京冬奥会绿色奥运和科技奥运的指导思想，确定氢能和碳纤维成为2022年冬奥会火炬的努力方向。
由于上海石化碳纤维生产基地具有产业优势，中石化将制造碳纤维火炬当作一项重大使命交给了上海。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。
△火炬保障团队在组装“飞扬”
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。“减压阀、储氢气瓶属世界难题，‘飞扬’使用氢气燃烧，需要在一虎口的距离，将瓶内压力从420公斤力/平方厘米减至接近标准大气压（约等于1公斤力/平方厘米），且保持稳定流量，难度可想而知。”
意外：火炬外壳展示时蹿起火苗
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，甚至差点因此放弃这一“黑科技”。
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，但是一般树脂和碳纤维复合材料只能经受200摄氏度左右的温度，而火炬燃烧口则必须经受住800摄氏度以上的高温。
哪里能找到耐高温材料成了当务之急。他们先找到研究陶瓷材料的教授，对方建议在碳纤维上涂陶瓷。经过几次交流和论证，林生兵等团队成员认为这“既不可行，也不好看”。没想到，最终在上海石化的“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摄氏度的高温，而氢气燃烧温度一般为800摄氏度，完全能胜任火炬外壳材料的要求。
“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。
不过，在林生兵带着新材料外壳向冬奥组委汇报展示时却遭遇意外。火炬点火后，外壳竟出现两个火焰点，还蹿起一股小火苗，且有起泡、开裂现象。面对这一“翻车”，他们综合判断是外壳成型温度不到位，且速度过快产生热胀冷缩。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。
△林生兵与“飞扬”
很快，一个集火炬外壳、内飘带、燃烧系统、火种灯、终端检测、交付产品为一体的总流程，在上海、北京、江苏、广东、河北等五大基地迅速建立并快速运转起来。面对时间紧、任务重、要求高，上海石化保持和北京冬奥组委、中石化冬奥办的密切沟通，从火炬内外飘带各部件的外形、棱角、颜色、装配，到氢气瓶样件、控氢阀、燃烧效果，再到火种灯外观、内部结构、操作便捷性，等等，都在深化设计、优化工艺中得到完善，同时保证了火炬量产的工作进度。
去年9月22日，上海石化向冬奥组委正式交付115支丙烷火炬及火种灯、引火棒等部分周边产品，顺利完成冬奥组委交付的首批量产任务。
未来：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摄氏度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。
据介绍，碳纤维是一种力学性能优异的新材料，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，但是碳纤维却有着森严的技术壁垒。此前，只被日本、美国等少数发达国家掌握，但经过长期研发攻关，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。
上海石化从2008年开始开展碳纤维技术攻关，承担完成多项国家“863”“973”计划和中国石化重大课题，形成从原丝、预氧化、碳纤维到复合材料产业链的创新能力，拥有自主知识产权成套技术，中国石化已申请碳纤维相关专利274项、授权165项，居国内第一、全球第三。当前，上海石化正全力推进2.4万吨/年原丝、1.2万吨/年48K大丝束碳纤维、百吨级高性能碳纤维等项目建设，加快打造碳纤维及复合材料产业集群优势。
冬奥会火炬外壳碳纤维复合材料的研发过程，既是挑战也是机遇。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，将来我们还在研究火炬之后，这个材料可以用在其他更有用的地方。”