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化工“黑科技”环环相扣,揭秘藏在冬奥火炬里的“小秘密”

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化工“黑科技”环环相扣,揭秘藏在冬奥火炬里的“小秘密”

发布日期:2022-02-21 作者:网络 点击:

2月2日至4日,北京冬奥火炬接力活动将在北京、延庆、张家口三个赛区举办,届时将有约1200名火炬手手持火炬参与传递。取名“飞扬”的冬奥火炬,外形如丝带飞扬飘舞,外壳颜色呈银红渐变。

火炬“飞扬”藏有哪些黑科技?近日,南都记者走近承担冬奥火炬研发生产任务的中国石化上海石化火炬研发生产团队,揭开火炬量产的神秘面纱。研发团队告诉记者,“飞扬”火炬是碳纤维氢能火炬,重量约为1.5千克。与以往的冬奥火炬相比,“飞扬”火炬的材料和燃料都使用当前Z热门的科技元素,充分体现科技冬奥和绿色办奥理念。

新材料:使用碳纤维制作火炬外壳系世界首次

中国石化上海石化公司副总经理 黄翔宇:你看这把火炬,这个地方看上去就像飘带一样,我们研制的外壳,这里面就是点火系统,你现在看不见,全部包在里面。手感也不错,这个壳是非常非常轻的。

北京2008年奥运会火炬“祥云”采用的是铝合金材料,为了契合“绿色办奥”理念,体现艺术设计与科技创新的完美融合,这次研发团队将目光投向了“碳纤维”。

中国石化上海石化创新研究院总经理 林生兵:它(碳纤维)的质量只有钢的1/4左右,但是强度是钢的7~9倍。

1860年,英国人在制作电灯灯丝时发明了碳纤维,它的力学性能十分优异,到了现代更被誉为“黑黄金”、21世纪“新材料之王”。这次,研发团队用碳纤维与树脂形成的复合材料来做奥运火炬,堪称世界首创。

中国石化上海石化公司副总经理 黄翔宇:冬奥组委给它的第一个评价就是轻,而且很牢固,随便怎么摔也摔不坏。另外一个就是,冬季火炬传递的时候天气很冷,传统金属材料的话手感不太好,复合材料可以解决这个问题,避免这种很冰凉的感觉。

由于北京冬奥会火炬接力将在低温环境中进行,“飞扬”采用氢做燃料,不仅环保,还因为氢燃料的特性保证了火炬能在极寒天气中使用。

但氢气作燃料,燃烧温度就会高于800℃。因此,“飞扬”火炬外壳的研制,就花了整整三个月时间,逐一攻克了多项技术难题。

中国石化上海石化公司副总经理 黄翔宇:火炬的火是从里面烧出来的,一般的复合材料都不能在火里烧,要到500℃在火里面再一烧就没了。正好上海有一家小企业研发了一种树脂,这个树脂是耐火的,拿过来我们进行测试分析。Z后通过工艺调整,它达到了既能够耐温又能够耐火的要求,800℃、900℃都可以。

生产车间里,由石油产品加工成的这一条条黑色丝束,每一束都包含着12000根碳纤维丝。再经过三维立体编织,Z终织成的火炬外壳,看不出任何接缝与孔隙,整个造型浑然一体。

中国石化上海石化创新研究院总经理 林生兵:有点像我们织毛衣一样,只不过它是分了三个不同的经向来进行编织,下一步就是我们拿到下游厂家进行镭雕、上色、喷高温漆,Z后才有这样一个亮丽的火炬外壳。

在材料科技领域,碳纤维的应用前景无限广阔,但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。

中国石化上海石化公司副总经理 黄翔宇:大飞机将来都要用碳纤维复合材料了,光伏的热场材料、海上风电的风电叶片也是用碳纤维做的。如果以后车辆都是用清洁能源,它需要轻量化,车子的外壳都是用碳纤维来做,我们中国现在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。

新能源:采用氢气燃料实现“零排放”

2008年北京奥运会的火炬燃料是丙烷,13年后,2022年北京冬奥会的火炬燃料采用了当下Z热门的新能源——氢气。南都记者从研发团队了解到,氢气取自于水,燃烧后又变成水,能够实现零碳排放。

虽然氢气绿色环保,但把足量的氢气储存在手持火炬中,不是一件容易的事。

“氢气瓶大家都能做,但是做这么小的氢气瓶,还要坚持较长时间,是有难度的。”黄翔宇介绍,氢气密度非常低,由于手持火炬体型小,限制了氢气瓶的体积,为储存足量的氢气,研发团队用42MPa的高压将12克氢气压缩进氢气瓶,随后将氢气瓶放入火炬。

解决了氢气的储存问题后,如何实现氢气的安全减压和稳定供给,又是摆在研发团队面前的一道难题。

黄翔宇介绍,完成充气后,氢气瓶的内部压力相当于420个大气压,高压氢气在使用时还需迅速转为标准大气压,如果高压氢气减压过猛,极易发生爆炸等意外事故,因此氢气瓶必须要具备很高的安全性。对此,航天科技技术团队研制出了高精度的减压阀,氢气在使用时能够安全减压和稳定供给。另外,研发团队在氢气瓶铝合金内胆上缠绕了一层碳纤维,使氢气瓶更坚固、更安全。

采用氢气做火炬燃料还需解决火焰显色度的问题。氢气燃烧时的火焰在日光下不明显,研发团队为此还给火焰“染了色”。

“正常氢气燃烧时火焰呈淡蓝色,在日光下接近透明。为了使观众能看清火焰,让火焰有较高显色度,我们在火炬上涂了具有显色功能的钠盐,钠盐被火焰灼烧时会发生焰色反应,使火焰变为鲜艳明亮的金黄色。”黄翔宇说。

文章来源: 南都,国际在线


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