硬核！盘点这届冬奥会蕴藏的“科技新材料”

互推小编 2023-05-30

慧正资讯：第24届冬奥会于2月4日在北京盛大开幕，在冬奥会一个个精彩的比赛瞬间背后，很多科技智慧故事也在冬奥赛场上上演。科技元素在这场国际盛会中带来了诸多颇具价值的亮点，诸多新材料在此次冬奥会中贡献力量，助力中国绿色办奥。那么冬奥会中到底蕴藏了哪些新材料黑科技？

小火炬里藏着大乾坤

奥运火炬“飞扬”的外形极具动感和活力，以祥云纹样“打底”，自下而上从祥云纹样逐渐过渡到剪纸风格的雪花图案，旋转上升，如丝带飘舞。值得一提的是，“飞扬”的外壳还蕴含着“黑科技”。不仅耐火抗高温，而且可以在极寒天气中使用。如何承受“冰与火” 的双重考验，奥秘就藏在一种新型材料里——碳纤维。

碳纤维就好比一层布料，需要“骨架”支撑才能更好塑形，但一般树脂和碳纤维复合材料只能经受200℃左右的温度，而火炬燃烧口则必须经受住800℃以上的高温。制造团队为攻克耐燃烧耐高温难题，采用库贝化学（上海）有限公司的第三代聚硅氮烷树脂，最高能经受住1200℃的高温，而氢气燃烧温度一般为800℃。经过三维立体编织，碳纤维丝束就像“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。

接触到“飞扬”的一刻，冬奥组委给它的第一个评价是轻，而且很牢固，怎么摔也摔不坏。另外一个是，冬季火炬传递的时候天气很冷，传统金属材料的手感不太好，复合材料可以解决这个问题，避免冰凉的握感。

三棵树为短道速滑国家队定制全新头盔

一顶出色的头盔是短道速滑战将的标配。在世界级体育赛事中，头盔不仅是一件防护装备，更承担了向世界展示中国形象的责任。2021年底举办的短道速滑世界杯中，中国短道速滑国家队佩戴的全新头盔成为铁粉们关注的焦点之一。

三棵树作为短道速滑国家队涂料行业合作伙伴，承担起为短道速滑国家队定制全新头盔图案的重任。在世界级体育赛事中，头盔不仅仅是一件防护装备，更承担了向世界展示中国形象的责任。

此次，这个黑科技满满、艺术范儿十足的“出色头盔”，助力武大靖、任子威等中国健儿站上北京冬奥会的最高领奖台。

据了解，短道速滑国家队头盔图案是由三棵树涂料股份有限公司负责设计的，并喷涂了公司自主研发的水性双组份聚氨酯工业涂料，具有绿色环保、VOC(有机物挥发性)低，色彩饱和度强、光亮平滑的特点，头盔采用特殊表面添加材料，能够有效降低风阻，为中国队出色表现“神助攻”。

2020年8月，三棵树正式成为北京2022年冬奥会和冬残奥会官方涂料独家供应商，承担起为短道速滑国家队定制全新头盔图案的重任。

为彰显绿色环保理念，三棵树科学院抽调精兵强将组成项目组，专门为本次短道速滑队头盔研发了可在特殊头盔材质上使用的绿色环保涂料——水性双组份聚氨酯工业涂料，并在头盔设计中融入了中华传统文化元素。武大靖所佩戴的头盔名为“华夏战神孙大圣”，其设计风格的灵感来自三星堆和华夏文化，用抽象凝练的线条和极简配色表现赛场上短道速滑队的磅礴气势。

为了充分展示“出色头盔”的艺术气质，三棵树特别策划了“短道头盔出色招募令”，面向社会广泛征集优秀作品。最终，该公司从200多幅作品中，挑选出15幅优秀作品入选短道速滑国家队头盔设计呈报方案。历经“千锤百炼”，他们为中国队定制了7组专属头盔图案，采用三棵树工业涂料，喷涂了40多顶头盔交付国家队。

北新建材系列产品闪耀北京冬奥会

“绿色办奥”是北京冬奥会四个办奥理念之首。北京冬奥组委一直坚持落实创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，特别在场馆规划、建设、运行和赛后利用全过程中，落实生态保护优先原则，最大程度利用现有场馆和设施，按照绿色建筑标准建设或改造场馆和设施。2019年，北京冬奥组委编发了《北京2022年冬奥会和冬残奥会低碳管理工作方案》，明确要加强低碳场馆建设管理，对于建筑材料的耐久性、安全性、低碳、可回收以及可持续性等性能提出了要求。

北新建材充分发挥在新型建材、绿色低碳、节能环保等多领域综合技术优势，为2022北京冬奥会项目建设提供从原材料、生产、产品，到建造、运行、回收的全生命周期绿色产品。服务项目包含北京、张家口、延庆三大赛区奥运村项目，国家体育馆、国家速滑馆“冰丝带”、国家雪车雪橇中心、首钢滑雪大跳台中心、延庆国家高山滑雪中心、云顶滑雪公园等各大赛事场馆场地，以及首钢冬奥广场、北京冰上项目训练基地、崇礼太子城冰雪小镇、太舞滑雪小镇、密苑·太子滑雪小镇等场所的配套设施。

北京冬奥村不同以往任何一个奥运村，其承载着智慧、健康的建筑理念，设居住、交流、保障三大区域和2300多个床位，建成后将带给各国运动员不同于以往奥运村的体验。

在冬奥村建设过程中，北新建材的龙牌石膏板、轻钢龙骨、矿棉吸声板、烤漆龙骨，龙牌漆等一系列产品满足了北京冬奥会建设项目对建筑耐久、安全、低碳、可回收、可持续性的高品质要求，在众多品牌激烈竞争中脱颖而出，凭借优异的产品性能、完善的系统解决方案、高品质的施工质量和迅捷的供货速度备受认可。

碳纤维氢能产品大放异彩

此次冬奥会，碳纤维氢能产品大放异彩：搭载着储氢气瓶的氢燃料电池汽车陆续批量服务北京延庆和张家口两个赛区，助力2022冬奥会；由宇通集团和国家电投氢能公司合作开发的首批氢能通勤大巴，使用165L储氢气瓶组，设计续航里程可达630公里。

氢能产品不仅服务冬奥通勤领域，使用165L储氢气瓶组的物流保温车为赛区内外提供物流运输服务，而氢燃料电池警务巡逻车、消防巡逻车和邮政车则使用了53L储氢气瓶。在氢燃料电池汽车领域，车载储氢技术的改进将是未来氢燃料电池车发展的重点突破环节，在整个车载供氢系统中，储氢瓶是关键部件之一。其中，碳纤维缠绕复合材料储氢气瓶被寄予厚望。

国产雪车装备从“无”到“有”

雪车是冬奥会中的一个传统项目，雪车背后凝聚的是中国奥运科研的硬实力。为此，航天材料及工艺研究所成立了专项工作组，在科技部和国家体育总局冬运中心的支持下，设立了“冬季项目碳纤维复合材料高性能器材关键技术”研发项目，突破了低风阻高可靠的外形结构一体化设计、高抗冲碳/玻混杂复合材料、复杂翼身融合结构一体化高质量成型等一系列的关键技术，最终完成了首辆国产双人雪车原理样机的设计、专用材料体系研制、产品研发与制造。在去年的中国国际复合材料工业技术展览会上，航天材料及工艺研究所把第一代雪车带到了创新产品展区进行展示。该雪车重约 180 千克，由碳纤维复合材料 + 合金材料联合打造，实现了国产雪车装备从“无”到“有”的突破。

国产3D打印碳纤维速滑冰鞋助力冬奥

为了改变全球知名碳纤维速滑冰鞋均由欧美公司垄断生产的局面，河北经贸大学运动生物力学教授杨金田及其科研团队建立了速滑运动员脚型和足底的数据库、足底3D扫描与打印系统。历时1年多时间，成功研制出第一代高性能碳纤维复合材料速滑冰鞋。与中国高端速滑冰鞋相比，碳纤维冰鞋重量减轻3%-4%，冰鞋剥离强度提升7%。

杨金田教授表示，团队将推进冰鞋的迭代，力争尽快进入产业化阶段。他还宣布，第二代国产冰鞋将能够与国外同类产品一较高下，实现对进口品牌的“弯道超车”，为我国冰雪运动发展增强“技力”。

碳纤维冰球杆亮相冬奥赛场

碳纤维冰球杆通过制作碳纤维布时混入流体成型剂的工艺方法，将流体成型剂的流动性降低到预设阈值之下，并使碳纤维布的质量误差控制在±1g/㎡－1.5g/㎡；将碳纤维布制作的碳纤维球杆基材放入模具中，模具的充气压力控制在18000Kpa至23000Ka，并对碳纤维球杆基加热，以使冰球杆成型。

流体成型剂附着在碳纤维布表面，一方面增加碳纤维布的韧性，另一方面提升球杆整体的结构强度。碳纤维的冰球杆不易出现球杆开裂或折断的情形，确保冰球杆结实耐用。

碳纤维发热电缆暖融融

走进张家口冬奥村（冬残奥村），绿色办奥的理念随处可见。在运动员公寓里，阳光透过落地窗照进室内，一片暖意融融。据介绍，运动员公寓房间内的地板下铺设碳纤维发热电缆，冬季采用电供热，将电能直接转化为热能，减少热量损耗。所使用的电能也全部来自张家口的风能发电，清洁可再生，绿色环保。

奥运村运营部工作人员表示，张家口冬奥村按照中国最高的绿建三星标准进行建设，通过采取一系列节地、节能、节材、节水措施，使冬奥村既符合绿色办奥的理念，又能充分满足冬奥会的需求。

保暖服里的材料硬科技

穿着保暖衣服观看冰雪比赛，以往在零下二十几度室外冰雪运动场馆中被冻得瑟瑟发抖的观众们，此刻却再也不用置身于“寒风料峭”中了，而是尽情沉浸于周围的一片暖意，尽享冰雪运动带来的无穷魅力。如此温暖的观赛体验是由复合材料带来的。作为“赛道环境营造及观赛环境保障技术研究”的重要成果之一，将柔性石墨烯、气凝胶[CB1] 、叠加态等材料复合使用的新技术，能为冰雪运动提供热舒适保障，可以有效消除观众在寒冷环境下的不适感，创造出更良好的观赛体验。

提供这项保暖“黑科技”的幕后功臣，正是清华大学建筑学院副教授曹彬及其团队。曹彬在接受采访时表示，自己带领团队的研究课题是“赛道环境营造及观赛环境保障技术研究”。根据曹彬的介绍，课题研究以人体的热调节作为理论基础，使用暖体假人模拟真人的产热和散热过程，将暖体假人置身于不同的气象条件下，通过分析假人各个部位的表面温度和导出指标，判断人的热舒适状况。

基于人体的热调节理论，研究团队充分考虑了观赛区的实际场景和观众的观赛行为，对热舒适保障措施的形式进行了有针对性的创新设计。曹彬向《中国电子报》记者指出，无论是哪种观赛场景，复合材料的应用都能在冰雪运动场馆的热舒适保障过程中扮演重要角色。“我们采用的复合材料中主要包括柔性石墨烯发热材料、气凝胶材料和叠加态材料。”据曹彬介绍，柔性石墨烯发热材料起效迅速，加热状态下表面温度可稳定在40摄氏度以上，温度分布均匀；气凝胶材料在同等隔热性能下，厚度约为传统隔热材料的1/3至1/5，且具备防火疏水性；标准规格的叠加态材料单位面积重量48g/m2，在相同保暖效果下，厚度相当于羽绒服的1/5。

将加热功能与观众席进行一体化设计就是团队研发成果的一种实现场景，在这个场景中，研发人员要考虑到发热、隔热和避免能源损耗这三个方面。发热方面，曹彬向记者谈道，针对新建的冰雪运动场馆观众席，可在坐席台阶表面铺设一层具有封装外壳的坐板，外壳内装有石墨烯片，通过实时通电来发挥石墨烯的发热功能，使座板表面温度迅速提升。

在外部环境寒冷的情况下，如果要确保热量充分向人体传导，就要同时保证坐板非加热侧的隔热性能。基于这一考虑，曹彬团队在设计坐板时将气凝胶材料与石墨烯片结合使用，发挥气凝胶的隔热作用，减少热量向环境的散失。

当坐席没有观众或是观众稀少时，避免对坐席无谓加热造成能源浪费就显得十分关键。曹彬对记者表示，加热坐席会设置传感器，通过传感器可以判断是否有人坐在座位上。“只给有观众坐的座位加热，以避免热量损失和能源浪费。”曹彬说。

对于未安装固定加热坐板的场馆，依赖复合材料的热舒适保障措施要更加“可移动化”。曹彬表示，这种情况下就需要移动加热坐垫和加热衣服来为观众“保温”。其中，考虑到室外观众席可能存在化雪情况，移动加热坐垫内部又存在电子元件，所以会更注重外层材料的防水性，采用疏水材料来封装石墨烯片。对于加热衣服，使用了轻薄的叠加态材料发挥保温性能，在人体腹部和腰部等部位通过石墨烯片进行加热，同时配有微信小程序，蓝牙连接后，观众可以在手机上实时查看服装各部位的温度，并通过输入温度值，对加热效果进行快速精准调控。

基于复合材料的个体加热技术能为冰雪运动提供热舒适保障，让冰雪运动更具温度，但在曹彬看来，这些材料和技术实现的加热保温功能并不仅仅局限于冰雪运动。曹彬向记者表示，未来，复合材料和个体加热技术会更具普惠性，逐渐走向量产的加热保暖衣服等新技术产品有望为极端环境下作业的工作人员带来更多温暖与关怀。

道路材料为冬奥保驾护航

2022年冬奥会共分为北京、延庆、张家口三大赛区，相关道路设施有机串联，保障各项赛事有序进行。化工材料也为道路安全保驾护航，其中，延崇高速防冰雪路面所用防冰雪有机材料，延崇高速和冬奥公园里铺设的沥青材料，奥运专用道中的地面标识等道路用化工材料。

北京赛区将举办所有冰上项目，包括冰壶、冰球、滑冰三个大项；延庆赛区将进行高山滑雪、雪车、钢架雪车、雪橇比赛；张家口赛区将进行滑雪其他大项的比赛。

在竞赛场馆、非竞赛场馆和冬奥村等相关设施之间，设置了供服务冬奥会和冬残奥会机动车使用的专用车道即奥运专用道。其中，北京延庆赛区的奥运专用道及交通指引标识，部分施工材料采用亮线(河北)新材料科技有限公司研制的预成型标线胶带产品。这种预成型标线胶带由特殊配方的合成橡胶、色料和添加剂构成，是预制成型的标线胶带产品。它在沥青和水泥路面的反光性能测试效果较好，在下雨天、光线不足的夜晚及其他各类特殊天气情况下都能保证标线的高性能反光。再配合独特的胶粘系统，标线胶带产品在使用时不需要加热或溶解，施工现场也不产生污染气体、废水和扬尘；清除时能成卷回收，不对环境造成二次污染，解决了现有标线存在的环保问题和特殊路况下的交通安全问题。该产品经过-15℃的环境温度以及车流量较大的国道使用测试后，能够完全满足冬奥会规定的施工及使用条件。

此外，在河北省张家口市连接比赛场馆和太子城奥运村的SL74公路上，采用了河南能源化工集团义煤豫蜀夜视利公司生产的北京冬奥会专用通道地面反光标识。该公司利用镶嵌工艺配高粘胶的生产技术，以白底加黄、绿、蓝、红、黑五种颜色，将奥运五环清晰靓丽地展示出来。

图为延崇高速张家口市崇礼区太子城互通主线一号桥主桥

延崇高速(北京延庆—张家口崇礼)全长约116千米，是2022年北京冬季奥运会连接延庆和崇礼两个赛区的重大交通保障项目，将形成北京至张家口、内蒙古的又一条高速公路通道。

作为北京冬奥会重要交通保障工程之一，延崇高速采用了中石化供应的“东海牌”沥青。中国石化炼油销售有限公司副总经理黄友生表示，“东海牌”沥青具有质量优、品种多、技术强、服务佳等特点。该公司针对极寒沙漠、炎热多雨、高海拔等极端气候特点，优化资源和工艺，提出应用不同气候解决方案沥青产品。针对海绵城市、机场跑道、大跨径桥面、隧道等场景，具有优异的粘结性、抗滑性和耐疲劳特点。针对国际赛道速度高、急转弯、急刹车的行车特点，具有良好的抗高温、抗低温以及抗剪切性能。“东海牌”沥青也曾进入国家体育场“鸟巢”，应用于奥运会场馆跑道。

除了应用在公路上，由大连石油化工研究院、燕山石化等研发生产的净味环保沥青在北京冬奥会配套工程——北京冬奥公园成功应用。受高温作用，传统的沥青在拌和、摊铺过程中会产生具有刺激性气味的沥青烟，对环境造成污染。研发团队深入研究沥青烟产生机理，聚焦沥青烟释放量影响因素，开发了环保型净味剂，减少刺激性气体排放量60%以上。

此外，为适应北京冬奥会的低温气候条件，延崇高速的防冰雪路面掺加了由首发集团开发的融冰雪材料——绿色环保抗凝冰添加剂。该材料平时吸热储能，低温时放热，使路面与雪层间不结成冰面，增强降雪天气安全通行性，达到“小雪自融、大雪不粘、抑制凝冰”的使用效果，解决冬奥期间路面融冰雪问题。

主动型抗凝冰沥青路面是近年来沥青路面技术的研究热点。2017年，首发集团奥科瑞公司针对延崇高速的绿色道路建设需求，及冬季存在的路面凝冰问题，开始进行路面融冰雪技术研究。为了找到适合北京地区的路面融冰雪方式，研发团队在实验室尝试了目前世界主流的各种路面融冰雪技术实验，最终找到了效果优异的解决方案。

他们开发的这种抗凝冰添加剂原材料除有机盐类外，还包括粘合剂、硬化剂、成球结晶剂、崩解剂等辅助添加剂。他们开发的路面抗凝冰添加剂在掺量5%条件下，有效抗凝冰温度达-18℃。采用了这种路面的延崇高速在下雪时会出现这样一幅奇妙的景象，指甲盖大小的雪花落在地上瞬间就被化为雨水，过往司机和乘客都来不及看出地面有过任何下雪的痕迹。

流体成型剂用于附着碳纤维冰球杆为什么比普通材质冰球杆更结实耐用呢？在碳纤维布表面，一方面增加碳纤维布的韧性，另一方面提升球杆整体的结构强度。通过提供低流动性的流体成型剂，且模具的充气压力一定时，可保证碳纤维球杆基材表面仍然有足够的流体成型剂附着，并参与后续的成型过程中，充足的流体成型剂保障了冰球杆的韧性，使得运动员在挥打冰球杆时不易出现球杆开裂或折断的情形，确保冰球杆结实耐用。

碳纤维发热电缆

据介绍，运动员公寓房间内的地板下铺设碳纤维发热电缆，冬季采用电供热，将电能直接转化为热能，减少热量损耗。所使用的电能也全部来自张家口的风能发电，清洁可再生，绿色环保。

三大赛区实现100%绿色电能供应

“绿电”即绿色电力，在我国，其主要来源于太阳能光伏发电和风力发电，具有绿色清洁、对环境友好的典型特点。冬奥会的场馆建设和能源供应是成功举办奥运会的重要基础和保障，同时也是碳排放控制的重点领域。

北京冬奥会三大赛区26个场馆将历史性的首次实现100%绿色电能供应，其绿电主要来自河北张北地区。

北京冬奥会全部场馆使用的“绿电”主要来自于河北张家口的光伏发电和风力发电产生的电力。“绿电”通过张北柔性直流电网工程输入北京电网，为冬奥场馆提供电力保障。

据了解，冬奥会赛区绿电供应来自风光水，经张北柔性直流工程，新建的中都、康巴诺尔、阜康和延庆4座换流站顺利来到北京，其中中都、康巴诺尔换流站为送电端接入新能源，阜康站为调节端接入抽水蓄能延庆站为接受端，直接为冬奥会延庆赛区场馆供电。

国网北京电力针对冬奥场馆入市及绿电交易组织，精准优化绿电交易工作流程，持续跟踪月度冬奥场馆绿电交易计划执行情况，根据场馆需求变化适时组织绿电交易，调整清洁能源供应。自2019年6月首次组织北京冬奥场馆绿电交易以来，共有11家购电主体、7家发电集团参与电力交易，总交易量4.77亿千瓦时，减少标煤燃烧15万吨，减排二氧化碳38万吨。

交易绿电涵盖场馆建设、测试赛和比赛期间涉奥用电。2021年底，该公司已提前组织开展2022年1-4月冬奥绿电交易，成交电量1.41亿千瓦时，可全面满足冬奥会比赛期间的绿电供给需求。

由双向拉伸聚丙烯薄膜制成的塑料钞

据介绍，塑料钞票是以BOPP(双向拉伸聚丙烯薄膜)塑料薄膜为主要材料制造而成的一种钞票。

这种钞票由特制的塑料薄膜制作，它可以使钞票流通时间增长且不至于撕裂或破损，而且可以使钞票难以复制。也就是说，它比纸钞耐用，使用寿命至少是纸钞2~3倍。

塑料钞票的材质是一种技术含量非常高的高分子聚合物，质地接近于钞票纸，并且无纤维、无空隙、防静电、防油污、防复印，加工难度非常大。相关技术资料显示，塑料钞票生产过程中主要有4大工序，首先是塑料基材，一般是通过双向拉伸聚丙烯BOPP塑料薄膜作为钞票基材；其次是涂布，就是要将塑料基材处理成纸一样，这样油墨才能印上去；第三道工序是印刷；最后一道工序是防伪处理。可以说一张防伪超强的塑料钞需要在塑料基片上加上凹印技术、光变油墨印刷、激光全息、衍射光元素、无墨压印图案等防伪措施，工艺复杂难度不小。

据纪念钞的主创设计师郑可新介绍，冰上运动项目是花样滑冰运动员图案，具有观赏性；雪上运动项目纪念钞是滑雪运动员图案，是运动员的竞技表现。

在防伪技术上，纪念钞采用动感全息宽条，透明视窗、光彩光变图案和雕刻凹印等，保证了纪念钞的安全性。

rPET纤维工作服

2021年11月，可口可乐中国宣布为北京冬奥会所有场馆的清废团队提供“温暖包”，采用了rPET材质（饮料瓶再生材质）的工作服套装。可口可乐中国表示，希望通过这一举措，提升公众对于循环再生理念的认知。

冬奥会场馆清废团队的外套设计，借鉴了户外冲锋衣的可拆卸功能，搭配了可拆卸的防寒外套和裤装，满足了极大温差下的作业需求，外套面料采用了rPET材料，具有良好的防水防污效果。

值得一提的是，可口可乐中国将“回”字元素融入工作服套装的设计之中。

此外，冬奥会场馆内放置的饮料瓶回收桶，方便消费者将消费后的饮料瓶投放。可口可乐中国将通过多链路、多场景的方式，展现饮料瓶的循环再生价值。

生物可降解餐具

这种生物可降解餐具是以玉米、薯类、农作物秸秆等可再生资源为原料发酵生产出来，并进一步纯化聚合制备成的高纯度聚乳酸作为原料生产。

聚乳酸是可完全生物降解的生物基新材料代表，是目前性价比较高的生物可降解环保高分子材料，与传统的石油基材料相比，每吨聚乳酸可减排约3吨二氧化碳。这是因为聚乳酸具有良好的生物可降解性，经微生物完全降解最终生成二氧化碳和水。相比于普通塑料采用焚烧处理，造成大量温室气体排入空气中，聚乳酸从原材料到聚合物生产过程的碳排放是通用塑料聚乙烯的1/3左右。

“绿色办奥”闪耀科技力量，点燃冬奥梦想。随着冬奥赛事的全面开展，相信这场被科技“武装”的盛会还将带来更多惊喜，让我们拭目以待。

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