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中国石化碳纤维应用再获新突破

来源:雷火电竞app官网  作者:雷火竞技  2022-09-26 11:28:06

   详细介绍

  2月11日,记者从中国石化新闻办获悉,近日,中国石化上海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。运行数据显示,使用碳纤维复合材料的列车车头罩,性能完全符合运行条件,与同等模块的铝合金材料相比,可减轻重量达35%-40%,有效助力列车减重提速。

  据悉,中国石化还为北京2022冬奥会火炬“飞扬”披上了碳纤维“外衣”,是全球首次实现以碳纤维复合材料制作奥运火炬外壳,解决了氢燃料燃烧时火炬需要耐高温的技术难题,使其具有“轻、固、美”等特点,能够实现在高于800摄氏度的氢气燃烧环境中正常使用,相比冰冷的金属火炬外壳,“飞扬”更加让火炬手感到温暖,助力“绿色奥运”。

  碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度新型纤维材料,力学性能优异,质量是钢的四分之一,强度却是钢的七至九倍,并且还具有耐腐蚀的特性,被称为“新材料之王”,也被称为“黑黄金”,可广泛应用于飞机部件、轨道交通原材料、车身制造等,在各行各业有着广泛的应用前景。

  据了解,广州地铁18号线被誉为粤港澳大湾区最快地铁,最高时速可达160公里,担任运营任务的“湾区蓝”列车是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。自2019年起,中国石化和中国中车开展协同创新,攻克了碳纤维复合材料在轨道交通领域规模应用关键核心技术,建立了完整的技术研发体系,形成了世界领先的“一站式”轻量化技术解决方案,最终实现了此次碳纤维复合材料在“湾区蓝”列车上的成功应用。

  下一步,中国石化碳纤维还将在广州地铁22号线列车上应用。此外,中国石化和中国中车的研发团队还正在积极开展应用于时速400公里高速列车、磁悬浮列车等更高性能等级车型的碳纤维复合材料技术攻关,为我国碳纤维及其复合材料的产业链发展开辟更广阔的领域。

  碳纤维技术有着森严的技术壁垒,中国石化上海石化是国内较早研发碳纤维并进行产业化生产的企业。早在2012年,该公司采用自主研发的碳纤维成套技术,生产12K小丝束碳纤维。2018年,该公司成功试制出了具有国际先进水平的48K大丝束碳纤维。据悉,中国石化拥有自主知识产权开发的碳纤维技术,目前申请专利居国内第一、全球第三。

  北京2022冬奥会正在举行,奥运火炬“飞扬”凭借其动感活力的外形和耐寒、抗高温的“黑科技”,受到全世界的关注。而其绚丽的外壳正是由中国石化上海石化参与研发的碳纤维及其复合材料制成,属世界首创!

  碳纤维也被称为“黑黄金”,其力学性能优异,比重不到钢的四分之一,强度却是钢的7至9倍,并且还具有耐腐蚀、高模量的特性,被称为“新材料之王”,在各行各业有着广泛的应用前景。

  上海石化是中国石化系统内唯一研发生产碳纤维的企业,也是内第一家率先突破48K大丝束碳纤维产业化技术的企业。截至目前,上海石化拥有申请碳纤维相关专利274项、授权165项,碳纤维相关专利申请数排名全国第一、全球第三,是国内第一家、全球第四家掌握碳纤维大丝束的企业。

  碳纤维的发展之路:被誉为“黑黄金”的神奇碳纤维,背后其实有着很曲折的逆袭历史。

  1.始于白炽灯的发明:碳纤维第一次被提出要追溯到1880年,发明电灯泡的爱迪生首次提出了用碳纤维做电灯的灯丝。然而,由于当时的碳纤维亮度不高、制作方法复杂、寿命比钨丝短,最终被钨丝取代了。

  2.人造丝碳纤维出现:20世纪早期,粘胶和醋酯等人造纤维的出现,把碳纤维技术引入“再发明”时代。20世纪50年代初,美国Wright-Patterson空军基地以粘胶纤维为原料,试制碳纤维成功,产品用作火箭喷管和鼻锥的烧蚀材料,效果很好。

  3.PAN基碳纤维诞生:20世纪60年代初,日本大阪工业研究所的近藤昭男发明了以聚丙烯腈(PAN)纤维为原料制取碳纤维的方法,并取得了专利,开启了日本的PAN基碳纤维之路。PAN基碳纤维在军工、航空飞机部件、锂电池、体育用品领域的广泛应用带来了20世纪70年代碳纤维产业的飞速发展。

  4.沥青基碳纤维问世:除了人造丝、聚丙烯腈,碳纤维的三大前驱体还有沥青。1965年,日本大谷杉郎首先制成了聚氯乙烯沥青基碳纤维。1970年日本吴羽化学工业公司采用大谷杉郎的专利,首先建成年产120吨普通型(GPCF)沥青基碳纤维的生产厂,1978年产量增到240吨。

  5.高性能PAN基碳纤维工业化生产:1969年日本碳公司开发高性能PAN基碳纤维获得成功。1971年东丽公司将产品Torayca投放市场。随后,产品的性能、品种、产量不断发展,至今仍处于世界领先地位。1982年起,日本、美国、英国的多家公司先后生产出高强、超高强、高模量、超高模量、高强中模及高强高模等类型高性能产品,使应用开发进入一个新的高水平阶段。

  国内碳纤维发展之路:我国在20世纪六七十年代也开始了碳纤维研究,但是由于技术与装备封锁,长期发展缓慢,工艺流程长、关键控制点多,其难度可想而知。2000年起碳纤维发展进入新阶段,2007年产能进入飞速发展阶段,国内也相继出现了多家碳纤维生产企业。

  上海石化碳纤维发展之路:十年磨出“黑黄金”,实现从12K到48K的飞跃。早在上世纪八十年代,上海石化作为国内最大的腈纶生产企业。依托腈纶产业优势,率先开展对碳纤维的交流调研和技术研究工作,并积累了一定的经验。2007年,中国石化决策部署PAN基碳纤维的研发和产业化攻关工作,并将建设项目落实在了上海石化。

  碳纤维技术有着森严的技术壁垒,迄今为止也只有日本、美国等少数发达国家拥有并掌握。

  在各方团队的齐心协力下,碳纤维攻关快速推进:2008年11月,建成中试装置;2009年3月,成功研制出12K原丝。

  2012年9月,采用自行开发的国内独有的NaSCN(硫氰酸钠)湿法工艺、自主知识产权的成套技术,上海石化年产3000吨原丝、1500吨碳纤维项目一阶段工程建成投产,形成了每年3000吨聚合物、1500吨原丝、500吨碳纤维的工业化生产能力。

  时隔10年后,2021年5月,上海石化1000吨/年碳纤维生产线建成投产,产出合格产品。二阶段项目在建设中,国产装备应用率较一阶段项目提升了10%,进一步增强我国碳纤维关键核心技术,提升我国碳纤维生产的综合竞争力。

  技术链接:在碳纤维行业内,通常将每束碳纤维根数大于48000根(简称48K)的称为大丝束碳纤维。目前,国内每束碳纤维基本处于1000根~12000根之间,称为小丝束。48K大丝束最大的优势,就是在相同的生产条件下,可大幅度提高碳纤维单线产能和质量性能,并实现生产低成本化,从而打破碳纤维高昂价格带来的应用局限。

  数量从1.2万个放大到4.8万个这么简单,中间要走过一条十分艰难的攻关之路,这需要深厚的科研理论作指导,丰富的实践经验作支撑,才能解决很多关键的技术难点,而上海石化经过10年磨一剑,创造了这一条件。可以说,从12K到48K的成功突破,标志着上海石化碳纤维技术从量变到质变的飞跃,不仅填补了国内空白,而且达到了国际先进水平。

  碳纤维生产工艺(从一滴石油到碳纤维):碳纤维和我们日常戴的口罩“同宗同源”,它们都是亿万年前深埋在岩石地层里的、一坨黑乎乎的——石油!

  以最主流的PAN基碳纤维为例,从亿万年前形成的原油到2022北京冬奥会“飞扬”的制备流程十分漫长,是一次漫长的“飞扬”之旅。

  被石油工人开采出来的石油进入炼厂之后,经过常减压装置蒸馏处理,可以从中提取石脑油等组分。接下来将石脑油送到乙烯装置,在温度700~900摄氏度的乙烯裂解炉中,将其裂解成丙烯。当丙烯与氨、氧气走到一起,在催化剂的推波助澜之下,发生了丙烯氨氧化反应,得到了碳纤维的原料——丙烯腈。

  丙烯腈单体经过聚合反应,不断连接在一起,形成了具有螺旋结构的聚丙烯腈大分子长链,这些长链卷曲缠绕在一起,形成了聚合物聚丙烯腈。聚丙烯腈不溶于水,需要加入特殊溶剂,缠结在一起的大分子链才能变成流动的纺丝液体。通过机械剪切和管道输送,大分子逐渐有序排列,纺丝液从类似于淋浴花洒一样的喷丝板的喷丝孔里高速挤出,在特制的溶液中凝固成型。经过一系列的机械拉伸,形成致密规整的白色原丝。白色原丝经过氧化、高低温碳化等连续工艺,就像生面团烤制面饼,颜色从白变黄,再从黄变黑,纤维也越变越细,最终形成“黑黄金”碳纤维。

  碳纤维应用领域:在当今世界高速工业化的大背景下,碳纤维用途正趋向多样化,凭借着轻而强、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、结构尺寸稳定性好及设计性好、可大面积整体成型等优异性能,碳纤维已在航空航天、国防军工和民用工业的各个领域得到广泛应用。

  作为国内第一家率先突破48K大丝束碳纤维产业化技术的企业,自上海石化碳纤维问世后,在各个领域得到广泛应用,对“中国制造”产生积极的推动作用。

  碳纤维抽油杆应用于采油产业。在2019年9月举办的第21届中国国际工业博览会上,由上海石化、胜利油田、胜利油田新大管业3家共同申报的“以碳纤维及其连续抽油杆研制为核心的新型高效机采系统”,获工博会首次设立的中国国际工业博览会大奖,成为一个以开发、应用碳纤维新材料提升传统采油产业的成功案例。目前,该系统在胜利油田进行应用,性能优良,与国外碳纤维水平相当,完全可以取代进口。目前,已在国内五大油田94个区块545口井进行产业化应用,实现了直接经济效益2.45亿元。

  碳纤维耐磨制件应用于腈纶纺丝机械设备。2019年2月,由上海石化研制开发的碳纤维耐磨片被应用到腈纶纺丝机械设备上,这是碳纤维复合材料在工业领域的又一成功应用,打破了耐磨制件长期依赖进口的被动局面。工业机械设备长期以来采用进口材质制件,但磨损快、使用周期短等问题始终无法有效解决。上海石化工业用耐磨片以碳纤维增强聚醚醚酮(PEEK)树脂复合材料为基础,采用先进造粒技术和挤出成型工艺加工制成,具有耐磨耐热、抗腐蚀和自润滑等优异性能,使用寿命可延长3~4倍,有效提高了生产连续性,保证了腈纶丝束质量。

  碳纤维补强技术应用于公路、立交桥、高铁、隧道等基础设施维修加固工程。近年来,上海石化与哈尔滨工业大学等院校在碳纤维复合材料补强领域携手攻关,目前,碳纤维补强技术已被广泛应用于公路、立交桥、高铁、隧道等存在病险的基础设施维修工程。在莫桑比克N6公路、天津津滨高速立交桥、沈阳至丹东铁路线、辽宁蓡窝水库等病险基础设施维修工程中,采用碳纤维拉挤板材加固,不仅施工高效便捷,而且结构承载力明显增强。同时,在加固修补液相丙烯、抽余碳四、火炬气、甲烷氢、氮气、污水等石油石化管道、高腐蚀设备、化工车间受腐蚀建筑等方面应用效果良好,形成了丰富的应用经验,具有良好的示范作用。

  碳纤维钢筋替代传统工程材料。2019年,一种可替代钢筋的新型结构材料碳纤维筋成功问世,碳纤维筋是采用了特殊拉挤工艺,将碳纤维与树脂结合,制成形似钢筋的一种新材料,具有强度高、重量轻、耐腐蚀等优点。权威部门测试鉴定结果表明,制品的抗拉强度、弹性模量等关键指标均优于国家相关规范标准。由上海石化与中建八局、哈尔滨工业大学等单位合作开发的碳纤维筋,不但能降低构筑物自重,而且大幅增强了混凝土筋结构的耐海洋腐蚀性、耐水泥碱性等,能有效提高建筑物的耐久性能,降低维护成本,延长使用期限。碳纤维筋突破应用局限替代传统工程材料,表明上海石化碳纤维复合材料的应用在国内土木工程领域处于领先水平。

  打造人才高低,上海石化碳纤维的“硅谷”:2020年8月28日,上海石化先进材料创新研究院揭牌成立。这是上海石化在科技创新上推出的重要举措,他们集中力量开展关键核心技术攻关和产业创新,推进中高端新材料产业企地融合发展。科研工作,最重要的是人才。目前,创新研究院通过内外部结合招聘,64人中,博士8人、硕士21人、本科21人,成为上海石化名副其实的“硅谷”。同时,该院与上海碳纤维复合材料创新研究院、陶氏化学、华东理工大学、东华大学等高新企业、高校院所开展各项技术交流,共建合作推动高质量发展。

  目前,上海石化正着力打造中高端新材料产业集群,接下来,上海石化将着力开展核心技术研究,努力形成碳纤维工程化成套技术;努力打造以碳纤维产业为核心,以聚酯、聚烯烃、弹性体、碳五下游精细化工新材料产业为延伸的中高端新材料产业集群;利用研发制造碳纤维复合材料火炬外壳的契机,加快推进碳纤维及其复合材料核心技术攻关,为上海石化转型发展、创新发展、跨越发展打造新引擎、汇聚新动能。

  2020年6月,一则上级通知突然降临:应冬奥组委要求,中国石化上海石化为火炬“飞扬”研制碳纤维外壳。

  碳纤维单根仅有头发丝1/15粗细,如何将这么细的碳纤维丝变成不同形状碳纤维复合材料呢?上海石化闻令而动,立即组织内部攻关团队和外部合作团队,开启了编织“飞扬”梦之路。

  因冬奥会火炬外飘带有“中部大两头小”特点,而且还要保证其上半部分在800摄氏度的氢气燃烧环境下正常使用(传统的碳纤维复合材料耐温一般不超过250摄氏度,更不能经受燃烧),攻关团队通过反反复复200多次的试验和研究,最终采取分段模具设计、分段固化成型的方式,满足了其耐燃烧及脱模需求,同时也保证了尺寸精度。

  火炬外壳分成两段:上段燃烧段和下段普通段,上下段采用胶接的方式,形成火炬整体外壳预制件。上段采用碳纤维陶瓷基复合材料,该材料耐高温性能优异,满足火炬上段燃烧环境的使用;下段采用碳纤维树脂基复合材料,该材料力学强度高,满足火炬的整体使用强度。

  火炬外壳旋转上升,如丝带飘舞的造型怎么做?攻关团队几经周折,慕名找到东华大学三维编织团队。200多锭碳纤维,从3个不同的维度像编织羊毛衫一样,成功塑造出丝带飘舞的优美造型。

  随后将上下部分通过高温黏连、固化、打磨、喷漆、镭雕、组装,最终制成了“飞扬”外壳。