冬奥会火炬为什么不冷到0℃以下？

随着北京冬奥会的临近，奥运火炬“杨妃”越来越为人所熟悉。它除了外观优雅美观之外，还包含了许多“黑科技”。作为世界上第一个由碳纤维复合材料制成的奥运火炬，“杨妃”外壳不仅要防火耐高温，还要在极寒天气下使用。

“感受一下。杨妃感觉很好。好冷，但抱着也不觉得冷。”当上海石化创新研究院总经理林胜兵向记者展示时，他特别强调了“杨妃”独特的外壳材料。“外壳使用的碳纤维复合材料只有钢的四分之一左右，但强度是钢的7到9倍”。

碳纤维“针织毛衣”成型

2020年6月，林胜兵接到通知，要为冬奥会火炬开发碳纤维外壳。

冬奥会火炬传递在严寒中进行。传统金属材料手感不好，碳纤维复合材料可以避免这个问题。

中国石化上海石化公司副总经理黄翔宇介绍，这款火炬采用了立体编织技术，是碳纤维成型的技术突破。每根黑色丝束包含12，000根碳纤维丝。经过立体编织，火炬外壳最终编织成“毛衣”一样，没有任何接缝和气孔，整个造型浑然一体。

看似简单的火把外壳，里面却有很多干坤。林胜兵告诉记者，火炬主要分为三部分：外流光、内流光和燃氢装置。外层被称为“外拖缆”，由碳纤维和高温阻燃树脂的合成材料组成。还有一个由铝合金制成的内壳“内流光”，燃烧口在内壳和外壳之间。火炬内部还有一个小型储氢瓶和减压阀，更换气瓶时可以轻松拆卸。

克服了耐燃、耐高温的难题。

相比之下，碳纤维复合材料的“先天不足”长期困扰着林生兵。

记者了解到，碳纤维就像一层布，需要“骨架”的支撑才能更好地成型，但一般的树脂和碳纤维复合材料只能承受200左右的温度，而火炬燃烧器则必须承受800以上的高温。

最终，他们在上海石化“邻居”——金山二工区的一家企业找到了解决方案。

久贝化工(上海)有限公司是一支只有14名员工的创业团队。他们用了5年时间研发出第三代聚硅氮烷树脂，最高可耐受1200的高温，而氢气燃烧温度一般为800。

“传统耐高温材料一般都是无机的，没有附着力就无法形成涂层。聚硅氮烷树脂是一种有机无机复合材料，既能保证耐高温，又具有良好的附着力。”库柏化学总经理刘告诉记者，最初的方案是在普通树脂和碳纤维复合材料中加入聚硅氮烷树脂涂层，但由于导热等问题，最终确定了聚硅氮烷树脂和碳纤维直接合成新材料的方案。经过不断的调试，林胜兵团队攻克了碳纤维复合材料耐燃耐高温这一重大难题，“杨妃”奥运火炬顺利诞生。

火炬技术可以用于汽车。

火炬外壳开发的三个月内，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和氢作为燃料的耐高温、耐燃两大难题，形成了三大技术创新亮点：一是碳纤维复合材料制成的火炬外壳成为全球首创；其次，碳纤维复合材料可以在燃烧温度高于800的氢气燃烧环境中正常使用；三是重量比铝合金外壳轻20%以上，呈现“轻、实、美”的特点。

黄翔宇表示，碳纤维未来将用于飞机、光伏热场材料和海上风电叶片。“随着新能源汽车的轻量化，汽车外壳也可以采用碳纤维制造。中国的碳纤维和碳纤维复合材料产业发展非常快，这种材料将来可以用在其他更有用的地方。”