復(fù)合材料及碳纖維在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用現(xiàn)狀

熊皓 王學(xué)花 張純琛 尹希榮

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，能源逐漸短缺，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)不斷地發(fā)展成熟完善，政府相關(guān)部門(mén)也給予了很大的重視。風(fēng)電葉片的尺寸大小和質(zhì)量對(duì)于風(fēng)力發(fā)電影響也是非常大的，為了提高風(fēng)力發(fā)電的影響力，把碳纖維復(fù)合材料引進(jìn)電葉片的結(jié)構(gòu)中，使得風(fēng)電葉片的質(zhì)量過(guò)大的問(wèn)題得到解決。另外，本文簡(jiǎn)要的介紹了不同復(fù)合材料的特征和復(fù)合材料的發(fā)展簡(jiǎn)史，分析了碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在風(fēng)電葉片中的優(yōu)點(diǎn)，和對(duì)風(fēng)力發(fā)電的工作效率和質(zhì)量的提高作用。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;碳纖維;風(fēng)力機(jī)葉片;應(yīng)用

隨著時(shí)代的快速發(fā)展，世界范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平都取得了重大突破，體現(xiàn)最為明顯的為：人們生活質(zhì)量取得了很大的提升，工業(yè)化發(fā)展速度迅猛，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速率不斷提升。這種快速發(fā)展在給人們帶來(lái)眾多便利的同時(shí)，也引發(fā)了些許問(wèn)題，生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞就是其中一個(gè)，現(xiàn)如今我國(guó)自然生態(tài)環(huán)境由于工業(yè)化的迅猛發(fā)展造成了非常嚴(yán)重的破壞，在此背景之下，要求人們不斷探索各種新型能源。風(fēng)力資源的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用就在一定程度上減少了對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞程度，而且還是一種可再生資源，所以我們應(yīng)該加大對(duì)其的研究和開(kāi)發(fā)力度。隨著風(fēng)力資源的廣泛應(yīng)用，風(fēng)機(jī)單機(jī)容量也在不斷擴(kuò)大，而風(fēng)力機(jī)葉片在風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，如何不斷優(yōu)化風(fēng)力機(jī)葉片性能，就需要我們采用更為輕質(zhì)和性能更好的材料，提高風(fēng)力機(jī)運(yùn)行效率，是我們目前風(fēng)力機(jī)葉片需要研究的一個(gè)重要課題。

1 復(fù)合材料的發(fā)展史

為了方便大家理解碳纖維復(fù)合材料，在本文中對(duì)復(fù)合材料的發(fā)展史進(jìn)行簡(jiǎn)短的介紹。很早以前的遠(yuǎn)古時(shí)代，世界上就已經(jīng)擁有，并在使用復(fù)合材料，這種材料就是自生長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，這種材料在植物中常見(jiàn)，最多見(jiàn)的就是竹子。但是因?yàn)楫?dāng)時(shí)條件有限，這種復(fù)合材料在使用方面不發(fā)生任何的化學(xué)改變，只是進(jìn)行物理上的變化，同時(shí)也沒(méi)有批量生產(chǎn)，所以沒(méi)有在大范圍內(nèi)應(yīng)用。遠(yuǎn)古時(shí)期的人們擺脫了山頂和巖洞的居住習(xí)慣，用稻草和泥土來(lái)建造房屋，這就是一種人工參與的復(fù)合材料。隨著人類智慧的進(jìn)步以及科學(xué)社會(huì)的發(fā)展，很多性能強(qiáng)的材料被應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)中。早在20世紀(jì)40年代，一種復(fù)合材料開(kāi)啟了復(fù)合材料歷史上的新紀(jì)元，促進(jìn)了復(fù)合材料的改革和發(fā)展，也是其中最具有代表性的材料，那就是玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。根據(jù)相關(guān)研究，復(fù)合材料可以分為四個(gè)階段，碳纖維復(fù)合材料則屬于第二個(gè)階段，這說(shuō)明了碳纖維復(fù)合材料的研究時(shí)間很長(zhǎng)。在1960年到1980年，這段時(shí)間是碳纖維復(fù)合材料發(fā)展的第一個(gè)鼎盛時(shí)期。

2 復(fù)合材料類型

復(fù)合材料按照不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)可以分為不同的類型，按照基體材料和復(fù)合材料的增強(qiáng)相形態(tài)和增強(qiáng)纖維劃分是最為常見(jiàn)的一種分類方式。按照風(fēng)力機(jī)葉片制造材料的不同要求可以將其劃分為金屬?gòu)?fù)合材料、聚合物復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料以及陶瓷基復(fù)合材料幾大類，這種分類方式也可以看作是按照基體材料類型進(jìn)行劃分的。每種復(fù)合材料的基體都存在一定的差異，所以由其所制成的復(fù)合材料不管是應(yīng)用方面還是性能方面都存在很多差異。現(xiàn)如今各種復(fù)合材料都得在機(jī)械設(shè)備制造和生產(chǎn)領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用。其中碳纖維復(fù)合材料最為明顯的應(yīng)用特征就是密度適中、質(zhì)量輕，所以受到了風(fēng)電葉片制造行業(yè)的青睞。每種復(fù)合材料的獨(dú)特性不僅僅體現(xiàn)在基體材料方面，在應(yīng)用范圍和特征方面也各有特色。

2.1 聚合物基復(fù)合材料

聚合物基復(fù)合材料主要是由聚合物基體和增強(qiáng)材料組成的，被廣泛的應(yīng)用于航空航天行業(yè)，它的耐疲勞性也是非常好的。聚合物基復(fù)合材料剛度非常強(qiáng)，在比強(qiáng)度和比模量方面也很高，所以經(jīng)常被廣泛的應(yīng)用于汽車行業(yè)。另外，聚合物基復(fù)合材料有著很高的可塑性，所以在可設(shè)計(jì)方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，被廣泛的應(yīng)用于武器裝備設(shè)計(jì)過(guò)程中。

2.2 金屬基復(fù)合材料

因?yàn)榻饘倩鶑?fù)合材料有很強(qiáng)的導(dǎo)熱性能，所以被廣泛的應(yīng)用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中。金屬基復(fù)合材料與其他種類的材料相比較有著很強(qiáng)的耐磨性，通常也被應(yīng)用到航空航天事業(yè)中。

2.3 陶瓷基復(fù)合材料

眾所周知，陶瓷是我國(guó)優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的載體，有著很強(qiáng)的耐熱性和耐磨損性等特點(diǎn)。陶瓷基復(fù)合材料被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，比如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管。

2.4 碳復(fù)合材料

碳復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)也很多，比如，導(dǎo)電能力良好，質(zhì)輕，強(qiáng)度較高，熱傳導(dǎo)能力也好，不論是在飛機(jī)制造行業(yè)還是船舶工業(yè)領(lǐng)域，都受到了廣泛的應(yīng)用。與金屬制件相比，利用碳纖維復(fù)合材料制作的制件在重量上要輕20%到35%，可以增加飛行器的飛行里程。

3 碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于葉片中的優(yōu)勢(shì)

3.1 減輕葉片重量

傳統(tǒng)風(fēng)電葉片發(fā)電的過(guò)程中，風(fēng)電葉片質(zhì)量過(guò)重的問(wèn)題一直存在，把碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用到風(fēng)電葉片的制造和設(shè)計(jì)過(guò)程中，就可以在一定程度上減小風(fēng)電葉片對(duì)主機(jī)和塔筒結(jié)構(gòu)造成的荷載。與此同時(shí)，碳纖維加入其中，還可以增加葉片的剛度，從而減小風(fēng)電葉片碰到塔筒時(shí)發(fā)生故障的頻率。

3.2 有效提升風(fēng)能利用率

有關(guān)研究表明，一般擁有較強(qiáng)剛度的材料都能夠在一定程度上提高資源的利用率。如果使用傳統(tǒng)的材料來(lái)制作和設(shè)計(jì)風(fēng)電葉片時(shí)，就不能很好的發(fā)揮風(fēng)電葉片的作用，風(fēng)能轉(zhuǎn)化率自然就低，從而降低了風(fēng)能利用率。碳纖維復(fù)合材料就有很高的模量和很強(qiáng)的剛度，把碳纖維復(fù)合材料用于風(fēng)力機(jī)葉片中，就可以有效的提高風(fēng)力發(fā)電的效率。換言之，在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備工作的過(guò)程中，通過(guò)提高風(fēng)電葉片的材料性能就能夠提高設(shè)備的工作效率。

3.3 碳纖維導(dǎo)電，在葉片除冰方面的優(yōu)勢(shì)

一般情況下，氣溫低于0攝氏度，在空氣中有著潮濕的雨，霜，霧，雪等水汽團(tuán)，形成冰晶落下，或遇到物體表面非常寒冷的情況時(shí)就會(huì)在物體表面結(jié)冰。影響風(fēng)電葉片結(jié)冰的主要因素有氣溫，液態(tài)水含量，風(fēng)速以及持續(xù)的時(shí)間等。用碳纖維材料來(lái)制作風(fēng)電葉片蒙皮層，并將加熱電纜安裝在主軸上的滑環(huán)上。工作人員不僅可以利用碳纖維導(dǎo)電性能好的特征，消除葉片表面的冰，還可以提高設(shè)備的發(fā)電效率。

4 碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用

我國(guó)以往傳統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)葉片基本上都是采用帆布、木材或者是金屬相關(guān)材料，隨著時(shí)代的進(jìn)步和發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)了越來(lái)越多種類的新型復(fù)合材料，也逐漸被應(yīng)用到風(fēng)機(jī)葉片制造過(guò)程中，常見(jiàn)的有玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。這里所說(shuō)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由增強(qiáng)纖維和基體兩項(xiàng)內(nèi)容所組成，基體一般情況下都是采用熱固性塑料或者是熱塑性材料，此類材料的模量和強(qiáng)度都不是很好，但是彈塑性和和粘彈性卻非常好，應(yīng)變能力比較強(qiáng)，纖維充填材料的直徑通常情況下都控制在10μm以內(nèi)，而且在實(shí)際使用過(guò)程中不太容易出現(xiàn)損傷、腐蝕和斷裂現(xiàn)象。

風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)人員為了提高葉片的發(fā)電效率，需要加強(qiáng)葉片的長(zhǎng)度，但是其質(zhì)量也會(huì)增加。因?yàn)槿~片長(zhǎng)度的平方與風(fēng)機(jī)葉輪捕獲的風(fēng)能和產(chǎn)生的電能成正比。但是葉片的質(zhì)量增加要大于能量的提取。

在極端風(fēng)力的作用下，也不能使葉尖觸碰到塔架。所以在進(jìn)行葉片制作的過(guò)程中，就需要采用剛度較強(qiáng)的材料，減輕葉片質(zhì)量的同時(shí)，還要保證它的剛度和強(qiáng)度不會(huì)下降。既要減輕葉片的重量，又要滿足其強(qiáng)度和剛度的要求，就是要采用碳纖維復(fù)合材料。

碳纖維復(fù)合材料作為一種新興的復(fù)合材料，將這一材料運(yùn)用到風(fēng)電葉片的制作過(guò)程中，不僅可以滿足風(fēng)力發(fā)電裝置的要求，還可以打破玻璃纖維復(fù)合材料的局限，保證在增加風(fēng)電葉片長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上，減少風(fēng)電葉片的重量，還可以具有較強(qiáng)的剛性。在制作風(fēng)電葉片的過(guò)程中，選用碳纖維材料進(jìn)行制作更加的節(jié)約材料，重量較輕也便于運(yùn)輸，安裝的成本也較低，使企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益得到提高。

據(jù)相關(guān)專家研究表示，現(xiàn)在沒(méi)有任何一款材料可以非常適合的滿足大功率風(fēng)力發(fā)電的需要，玻璃纖維復(fù)合材料的性能已經(jīng)發(fā)揮到極致，把性能較好的碳纖維復(fù)合材料運(yùn)用在更大功率風(fēng)力發(fā)電的裝置中，可以有效地提高工作效率。實(shí)際上，當(dāng)葉片超過(guò)一定的尺寸時(shí)，因?yàn)椴牧嫌昧浚瑒趧?dòng)力，安裝和運(yùn)輸?shù)某杀径荚谙陆担蕴祭w維葉片就比玻纖維葉片便宜的多。

在風(fēng)電葉片制作上，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用工藝主要有三種，分別是：預(yù)浸料織物成型工藝，碳梁片材拉擠成型工藝，碳纖維織物VARTM成型工藝，因?yàn)槔瓟D成型工藝質(zhì)量穩(wěn)定，成型效率高，以及產(chǎn)品的抗拉性能高等特點(diǎn)，所以具有標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)。從目前來(lái)看，拉擠碳梁片材已經(jīng)逐步取代了預(yù)浸料和碳纖維織物。2019年風(fēng)電葉片行業(yè)用碳纖維量超過(guò)2萬(wàn)噸，其中80%就是用于生產(chǎn)拉擠碳梁片材。

需要關(guān)注的是，相關(guān)的專業(yè)人士提出，我國(guó)碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)力機(jī)葉片上的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)的落后于世界領(lǐng)頭羊的進(jìn)度，所以業(yè)內(nèi)的相關(guān)技術(shù)研發(fā)人員需要不斷的努力，加強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)力機(jī)中的應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在風(fēng)電葉片運(yùn)行的過(guò)程中，傳統(tǒng)的材料葉片會(huì)導(dǎo)致其發(fā)電效率不高，尤其是在環(huán)境較為惡劣的天氣，它的發(fā)電質(zhì)量非常差。碳纖維復(fù)合材料有著高強(qiáng)的耐熱性和耐久性，以及較強(qiáng)的剛性，應(yīng)用在風(fēng)電葉片中，可以有效地提高風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的工作效率，與此同時(shí)，也提高了發(fā)電的質(zhì)量。相關(guān)的工作人員要順應(yīng)社會(huì)的發(fā)展，將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電的過(guò)程中。

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