4.8万根碳纤维捻成的“黑黄金” | 科普央企那些事儿

转自：国资小新

还记得热播电视剧《三体》中

提到的一种材料

——高分子纳米“飞刃”吗？

它如同一根蚕丝，纤细柔软，

却具有极高强度。

如果将这种材料用于切割物体，

将成为世界上最锋利的刀具。

在现实生活中是否存在

类似“飞刃”的黑科技呢？

小新今天就带你认识一下

同样坚韧无比的

碳纤维

什么是碳纤维？

碳纤维是一种广泛应用于

航天、航空等领域的稀有材料，

它细如发丝，

比重不到钢的1/4，

强度却是钢的7~9倍，

且耐腐蚀能力超强，

被称为“黑黄金”“新材料之王” 。

使用碳纤维材料的运载火箭

不仅能减重，

还能减少火箭燃烧的能源。

根据测算，

火箭重量每减少1公斤

就能少用500千克燃料。

同时，火箭的重量越小，

它能携带的有效载荷就越多，

每多一公斤的有效载荷，

也都意味着运载成本的降低。

而碳纤维的高强度

不仅能抵抗强宇宙射线的冲击，

也能较好避免太空中昼夜温差大

引起的材料变形等问题，

极恶劣的条件下，

也能出色稳定地发挥作用。

创新亮相 汇聚世界目光

2021年2月4日，

北京2022年冬奥会和冬残奥会火炬

——“飞扬”问世，

这是全球首次以碳纤维复合材料

制作奥运火炬外壳。

中国石化全程参与火炬研发制作，

还承担了火炬外飘带研制

和整个火炬的量产任务。

往届奥运会的火炬外壳燃烧段

一般采用金属制作，

例如钢、铝合金等，

但此次使用中国石化碳纤维复合材料

制作的火炬外壳，

不仅造型美观、手感舒适，

而且与金属材质相比，

重量减轻了30%左右，

兼具轻、固、美的优点。

碳纤维又强又轻，

还兼备纺织纤维的“柔”。

“飞扬”采用了三维编织技术，

一条条黑色丝束，

每一束都包含着1.2万根碳纤维丝。

经过三维立体编织，

最终就像“织毛衣”一样织成了火炬外壳，

既能够耐高温，又能够耐火，

在800摄氏度左右的燃烧环境下

都可以正常使用，

能够长时间承受火炬燃烧时产生的高温。

这是碳纤维材料首次被用在火炬之上，

也是我国自主生产的碳纤维材料的精彩亮相，

汇聚了世界的目光。

在车身制造方面，

碳纤维的优越性能也大有可为。

2022年年初，

中国石化自主研发生产的碳纤维

成功应用于广州地铁18号线“湾区蓝”高速列车，

“湾区蓝”成为国内首列

车头罩采用轻质高强碳纤维复合材料的地铁列车。

2022年11月，

上海临港全新一代中运量2号线（T2线）

氢动力数字轨道胶轮电车全线试运营，

车头罩也由中国石化碳纤维制成。

碳纤维车头罩重量轻，

可降低运行过程中的能耗，

助力实现绿色交通转型，

还能提升续航里程、舒适性

和隔音降噪效果。

国产大丝束碳纤维“破炉而出”

用碳纤维做小产品和大产品的难度

完全不同。

20世纪60年代，

碳纤维被美、日等国

广泛应用于国防军工领域，

发挥了重要的作用，

碳纤维及其生产技术

也成为了西方国家

对我国严格禁运的重要技术。

在严峻的环境下，

我国科学家并未放弃，

大力创新自主研发攻关。

中国石化上海石化联合多所高校、

科研院所、企业，

走出了一条以企业为主体的

“产、学、研、用”相结合的协同创新之路，

于2018年取得重大突破，

成功开发出48K大丝束碳纤维的

聚合、纺丝、氧化炭化成套工艺技术，

所生产的碳纤维性能优异

并实现低成本化。

2022年10月10日，

我国首个万吨级48K

大丝束碳纤维工程第一套国产线，

在中国石化上海石化

碳纤维产业基地投料开车，

并生产出合格产品，

产品性能媲美国外同级别产品，

质量达到国际先进水平。

这标志着中国石化大丝束碳纤维

从关键技术突破、工业试生产、产业化

成功走向规模化和关键装备国产化，

一举破除我国碳纤维生产和装备

受制于人的被动局面，

真正实现自主可控。

工程建设领域大显身手

这里是青岛海口路跨风河大桥，

这座大桥总长377米，

大桥副拱12根吊杆均为碳纤维吊杆，

全部采用中国石化48K大丝束碳纤维筋。

碳纤维筋形似钢筋，

是一种可替代钢筋的新型结构材料，

采用了特殊拉挤工艺，

将碳纤维与树脂结合制成，

具有轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳等优势。

碳纤维筋应用于桥梁工程，

可有效解决传统钢索自重大、耐久性差、

使用寿命短于桥梁的问题，

从而降低桥梁全生命周期维护成本。

此外，碳纤维筋还具有超强长期持荷性能，

可显著提高桥梁跨越能力。

该桥建成后将成为我国首个

应用大丝束碳纤维索锚体系的桥梁工程，

将为国产大丝束碳纤维

在工程领域的应用积累宝贵经验。

在风电等新能源领域，

碳纤维也大显身手。

风电叶片是风力发电机

将风能转化为机械能的重要部件之一，

其设计、制造及运行状态的好坏

直接影响到整机的性能和发电效率，

素有风力发电机“灵魂”之称。

尤其是海上风电叶片，

在工作期间，

要时刻承受各类海洋不良天气的考验，

这对叶片的工作极限强度

和疲劳寿命提出了更高要求。

这个轮直径达到260米的叶片，

就是我国最新自主研发的风力发电叶片，

该叶片用到了碳纤维材料，

不仅实现了叶片工作的稳定性，

也实现了其结构轻量化，

在风力的作用下很容易就转动起来。

这个叶片的扫风面积超过 5.3 万平方米，

相当于 7.4 个标准足球场。

基于该叶片强大的捕风能力，

风电机组年发电量将达6700万千瓦时，

能够稳定而又持续地提供电力供大众使用。

近几年，

电动汽车材料、电子信息材料、

航空航天材料等领域发展空间广阔，

我国目前正处于高质量发展关键阶段，

化工高端材料对于我国

产业转型升级、提高人民生活质量

意义重大。

对于“碳纤维”

你还能想到哪些应用领域？

你还知道哪些“黑科技”材料？

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