復合材料風機葉片材料及工藝進展
摘 要：簡述了復合材料風機葉片的基本現狀，介紹了原材料和生產工藝方面的進展。
1 概 述
隨著能源危機日趨嚴重，風能作為一種清潔的可再生能源日益受到各國重視。歐盟委員會為了鼓勵風電產業發展，近年來推行了一系列能源政策，其中包括給予開發風能發電的企業和個人免稅以及減稅優惠，向其優先提供貸款，規定企業必須使用一定數量的由可再生能源產生的電力等，美國是現代聯網型風電的起源地，同時也是早制定鼓勵發展風電(包括其它可再生能源發電)法規的。我國“十一五”規劃明確指出，新建風電場的風機葉片等風電設備的國產化率必須達到70%以上。
我國風能資源豐富，可開發利用的風能儲備量約為10億kW，其中，陸地上風能儲量約為2.53億kW(陸地上離地面10m高度資料計算)海上可開發和利用的風能儲量約為7.5億kW。
風力發電機組是由葉片、傳動系統、發電機、儲能設備、塔架及電氣系統等組成的發電裝置，其中葉片是發電機組捕獲風能的關鍵部件，葉片的翼型設計與生產也是風電產業的技術核心。由于復合材料具有重量輕、比強度高、可設計性強等優點，因此，目前風機葉片多為復合材料葉片。一般認為小型風機葉片(22m以下)選用玻璃纖維增強，樹脂基體以不飽和聚酯樹脂為主，也可選用乙烯基樹脂和環氧樹脂；較大型葉片(42m以上)選用碳纖維增強或碳纖維和玻璃纖維混合增強，樹脂基體以環氧樹脂為主。
近年來，風力發電技術日益成熟，小型葉片已經不能滿足發展需求，各國兌相發展大型風機葉片。上長的風機葉片達到了61.5m，由風力發電葉片大制造商LM GLASFIBER公司生產。然而，由于大型風機葉片尺寸大、質量高，因此對翼型設計、材料的選擇以及成型工藝要求更高。特別是在生產和制造過程中遇到的一些問題，阻礙了風機葉片的生產效率。
2 原材料的改進
風機葉片的材料有直接影響風力發電機組的性能。風機葉片主要材料包括增強材料、基體材料、夾層泡沫、膠粘劑和各種輔助材料。目前大部分風機葉片使用的增強材料是玻璃纖維，部分大型風機葉片也采用玻璃纖維和碳纖維混雜增強復合材料。某些新型纖維也成為候選對象，如超高分子量聚乙烯纖維、玄武巖纖維等。基體材料目前大量使用不飽和聚酯樹脂，其次還有乙烯基樹脂、環氧樹脂等。
為了滿足風機葉片的要求，目前玻璃行維也在不斷改進。歐文期科寧開發的WindStrand新一代增強型玻璃纖維，可在不增加葉片成本的情況下提高葉片的性能。據報道WindStrand可以提高葉片的硬度和強度，使葉片具有良好的抗疲勞性能，從而提高葉片的抗風性能，增長葉片的壽命，提高葉片的能量轉換率。與傳統的E-玻璃纖維相比，增強型WindStrand可以使葉片的重量降低10%。[-page-]
隨著風機葉片長度的增加，單純使用玻璃纖維，其剛度已經不能滿足大型風機葉片的要求，因此碳纖維也逐漸被引入。荷蘭代爾夫理工大學(Delft University of Technology,Netherlands)研究表明，碳纖維復合材料葉片的剛度是玻璃纖維復合材料葉片的兩倍。碳纖維取代玻璃纖維不僅可以減輕葉片質量，而且性能更優異。但是碳纖維過于昂貴，一定程度上限制了其廣泛使用。
由于環氧樹脂作為葉片的基體材料，為葉片提供優異了的力學性能和耐腐蝕性能，在應用中逐漸取代了聚酯樹脂。08年四月在法國巴黎JEC復合材料展上，陶氏化學公司正式有推出了用于風能的AIRSTONE系統組合產品。據介紹用于風能的AIRSTONE系統組合產品，基于可靠的環氧化學性質和技術，可使風力發電葉片更堅固、更輕便且更容易生產。其產品用于真空灌注、濕法手糊成型、模具樹脂粘結劑等方面。
一般而言，復合材料制品在固化過程中放熱不易控制，特別是在產品結構局部厚度較大處，放熱峰溫度過高，局部熱量不易散去，易產生焦化。為了避免發生放熱過多，固化過程通常分階段進行，但延長了固化周期。為了縮短整個固化周期，Hexcel研發了一種專門用于葉片根部的低放熱預混料，HexPly M19。據介紹HexPly M19是一種低毒性，環境友好型預混料，其大優點就是容易控制固化反應過程中的放熱。HexPly M19與玻璃纖維和碳纖維一起使用，比同樣條件下的一般預混料固化快15~20%。由于固化反應放熱易控制，因此較傳統預浸料在高溫條件下固化時間短，從而縮短了固化周期。隨著固化周期的縮短，模具成本和加工成本也相應地降低。據估算其模具成本可降低10%，模具使用壽命可延長30%。
據報道，瑞士材料技術公司Gurit還推出一款風能產業新產品 sparpreg，它是一種用厚層板部分的單向預浸料。據說該產品能夠生產高質量的層板，且氣泡較少，不需要灌注或添加干織物增強材料來輔助除去空氣。一定程度上提高了生產效率，并降低了重量和成本。
3 生產工藝的改進
隨著風機葉片的尺寸不斷增加，為了保證發電機的平穩動行和塔架安全，要求葉片質量輕、外形尺寸精度高、質量分布均勻、長期使用性能可靠。因此風機葉片的生產工藝也在不斷改進。
傳統復合材料風機葉片多采用手糊成型。由于手糊成型是開模工藝，生產過程中會有大量的苯乙烯等揮發性有毒氣體產生，給操作者和環境帶來危害；另外，手糊成型生產效率低，產品質量穩定性差，因此手糊成型通常只用于生產葉片長度比較短和批量比較小的場合。
對于長度超過40m的葉片，一般采用直空灌注成型。真空灌注成型工藝是將纖維增強材料直接鋪放在模具上，在纖維增強材料上鋪放剝離層和高滲透介質，然后用真空薄膜包覆及密封，利用真空負壓將樹脂注入并浸透增強材料。由于真空灌注成型是閉模成型，因此在成型過程中苯乙烯揮發，改善了工作環境，簡化了工藝操作。同時真空輔助可充分消除氣泡，降低制品的孔隙率，能有效控制產品的含膠量，產品質量穩定性高。真空灌注成型工藝被認為一種效率高。成本低、質量好的生產工藝，已經被廣泛使用。[-page-]
較真空灌注成型工藝相比，西門子風力發電集團研發的葉片整體成型(Integral Blade)技術，更簡化了生產過程，能使葉片真正達到一次成型。其原理是玻璃纖維增強材料的干燥通過一個封閉的外部模具和一個擴展的內部模具的特殊組合完成鑄造，完成玻璃纖維增強材料的層壓之后，環氧樹脂材料在真空環境中注入，此后，葉片在封閉的模具中經高溫固化，一步完成完整、無縫的葉片制造。與其它制造商所采用傳統葉片制造方法相比，整體成型所具有的優點包括：該方法節省人力和空間，制造過程中僅需一個模具組；在外殼和承重桿之間沒有公差，使終的葉片結構完整，不存在膠水粘連部件，從而避免了裂縫、水分侵入、雷電對這些潛在威脅對葉片薄弱環節的不利因素。由于Integral Blade制造過程的封閉性，葉片制造工廠提供了一個干凈、漂亮的工作環境。
4 展 望
作為可持續性發展產業之一的風電產業，不僅要重視其生產成本和生產效率，更應該重視它給環境帶來的影響。目前使用的復合材料葉片屬熱固性復合材料，難以自然降解，以目前的工藝水平難以對其回利再利用，一般處理是填埋或燃燒，對環境造成了破壞。在未來的十幾年間，隨著退役葉片不斷增多，退役葉片的處理將會成為科學家和環保工作者必須面臨的一個現實問題。
各國制造商正在研究開發“綠色葉片”，發展可回收利用的熱塑性復合材料葉片。與熱固性復合材料相比，熱塑性復合材料具有質量輕、抗沖擊性能好、生產周期短等一系列優異性能。目前，愛爾蘭Gaoth風能公司、日本三菱重工和美國Cyclics公司簽署了合作協議開發熱塑性復合材料葉片，并已采用玻璃纖維增強Cyclics公司的低粘度熱塑性CBT樹脂制造出上12.6m可循環利用的風電葉片。據稱，這種葉片退役后，每套葉片回收的材料平均可達到19t。風能協會主席、印度風能協會主席Anil Kane博士稱，風能是當前上成長快的產業，其在近10年以24%的復合速率增長。08年我國風電總裝機容量約為1000萬kW，預計到2010年能達到2000萬kW，達到風力發電大國德國目前的水平。風電產業的迅猛發展為我國復合材料產業提供了一個難得的機遇，同時也面臨著激烈的國際競爭。我國復合材料產業的發展是機遇與挑戰并存。
1 概 述
隨著能源危機日趨嚴重，風能作為一種清潔的可再生能源日益受到各國重視。歐盟委員會為了鼓勵風電產業發展，近年來推行了一系列能源政策，其中包括給予開發風能發電的企業和個人免稅以及減稅優惠，向其優先提供貸款，規定企業必須使用一定數量的由可再生能源產生的電力等，美國是現代聯網型風電的起源地，同時也是早制定鼓勵發展風電(包括其它可再生能源發電)法規的。我國“十一五”規劃明確指出，新建風電場的風機葉片等風電設備的國產化率必須達到70%以上。
我國風能資源豐富，可開發利用的風能儲備量約為10億kW，其中，陸地上風能儲量約為2.53億kW(陸地上離地面10m高度資料計算)海上可開發和利用的風能儲量約為7.5億kW。
風力發電機組是由葉片、傳動系統、發電機、儲能設備、塔架及電氣系統等組成的發電裝置，其中葉片是發電機組捕獲風能的關鍵部件，葉片的翼型設計與生產也是風電產業的技術核心。由于復合材料具有重量輕、比強度高、可設計性強等優點，因此，目前風機葉片多為復合材料葉片。一般認為小型風機葉片(22m以下)選用玻璃纖維增強，樹脂基體以不飽和聚酯樹脂為主，也可選用乙烯基樹脂和環氧樹脂；較大型葉片(42m以上)選用碳纖維增強或碳纖維和玻璃纖維混合增強，樹脂基體以環氧樹脂為主。
近年來，風力發電技術日益成熟，小型葉片已經不能滿足發展需求，各國兌相發展大型風機葉片。上長的風機葉片達到了61.5m，由風力發電葉片大制造商LM GLASFIBER公司生產。然而，由于大型風機葉片尺寸大、質量高，因此對翼型設計、材料的選擇以及成型工藝要求更高。特別是在生產和制造過程中遇到的一些問題，阻礙了風機葉片的生產效率。
2 原材料的改進
風機葉片的材料有直接影響風力發電機組的性能。風機葉片主要材料包括增強材料、基體材料、夾層泡沫、膠粘劑和各種輔助材料。目前大部分風機葉片使用的增強材料是玻璃纖維，部分大型風機葉片也采用玻璃纖維和碳纖維混雜增強復合材料。某些新型纖維也成為候選對象，如超高分子量聚乙烯纖維、玄武巖纖維等。基體材料目前大量使用不飽和聚酯樹脂，其次還有乙烯基樹脂、環氧樹脂等。
為了滿足風機葉片的要求，目前玻璃行維也在不斷改進。歐文期科寧開發的WindStrand新一代增強型玻璃纖維，可在不增加葉片成本的情況下提高葉片的性能。據報道WindStrand可以提高葉片的硬度和強度，使葉片具有良好的抗疲勞性能，從而提高葉片的抗風性能，增長葉片的壽命，提高葉片的能量轉換率。與傳統的E-玻璃纖維相比，增強型WindStrand可以使葉片的重量降低10%。[-page-]
隨著風機葉片長度的增加，單純使用玻璃纖維，其剛度已經不能滿足大型風機葉片的要求，因此碳纖維也逐漸被引入。荷蘭代爾夫理工大學(Delft University of Technology,Netherlands)研究表明，碳纖維復合材料葉片的剛度是玻璃纖維復合材料葉片的兩倍。碳纖維取代玻璃纖維不僅可以減輕葉片質量，而且性能更優異。但是碳纖維過于昂貴，一定程度上限制了其廣泛使用。
由于環氧樹脂作為葉片的基體材料，為葉片提供優異了的力學性能和耐腐蝕性能，在應用中逐漸取代了聚酯樹脂。08年四月在法國巴黎JEC復合材料展上，陶氏化學公司正式有推出了用于風能的AIRSTONE系統組合產品。據介紹用于風能的AIRSTONE系統組合產品，基于可靠的環氧化學性質和技術，可使風力發電葉片更堅固、更輕便且更容易生產。其產品用于真空灌注、濕法手糊成型、模具樹脂粘結劑等方面。
一般而言，復合材料制品在固化過程中放熱不易控制，特別是在產品結構局部厚度較大處，放熱峰溫度過高，局部熱量不易散去，易產生焦化。為了避免發生放熱過多，固化過程通常分階段進行，但延長了固化周期。為了縮短整個固化周期，Hexcel研發了一種專門用于葉片根部的低放熱預混料，HexPly M19。據介紹HexPly M19是一種低毒性，環境友好型預混料，其大優點就是容易控制固化反應過程中的放熱。HexPly M19與玻璃纖維和碳纖維一起使用，比同樣條件下的一般預混料固化快15~20%。由于固化反應放熱易控制，因此較傳統預浸料在高溫條件下固化時間短，從而縮短了固化周期。隨著固化周期的縮短，模具成本和加工成本也相應地降低。據估算其模具成本可降低10%，模具使用壽命可延長30%。
據報道，瑞士材料技術公司Gurit還推出一款風能產業新產品 sparpreg，它是一種用厚層板部分的單向預浸料。據說該產品能夠生產高質量的層板，且氣泡較少，不需要灌注或添加干織物增強材料來輔助除去空氣。一定程度上提高了生產效率，并降低了重量和成本。
3 生產工藝的改進
隨著風機葉片的尺寸不斷增加，為了保證發電機的平穩動行和塔架安全，要求葉片質量輕、外形尺寸精度高、質量分布均勻、長期使用性能可靠。因此風機葉片的生產工藝也在不斷改進。
傳統復合材料風機葉片多采用手糊成型。由于手糊成型是開模工藝，生產過程中會有大量的苯乙烯等揮發性有毒氣體產生，給操作者和環境帶來危害；另外，手糊成型生產效率低，產品質量穩定性差，因此手糊成型通常只用于生產葉片長度比較短和批量比較小的場合。
對于長度超過40m的葉片，一般采用直空灌注成型。真空灌注成型工藝是將纖維增強材料直接鋪放在模具上，在纖維增強材料上鋪放剝離層和高滲透介質，然后用真空薄膜包覆及密封，利用真空負壓將樹脂注入并浸透增強材料。由于真空灌注成型是閉模成型，因此在成型過程中苯乙烯揮發，改善了工作環境，簡化了工藝操作。同時真空輔助可充分消除氣泡，降低制品的孔隙率，能有效控制產品的含膠量，產品質量穩定性高。真空灌注成型工藝被認為一種效率高。成本低、質量好的生產工藝，已經被廣泛使用。[-page-]
較真空灌注成型工藝相比，西門子風力發電集團研發的葉片整體成型(Integral Blade)技術，更簡化了生產過程，能使葉片真正達到一次成型。其原理是玻璃纖維增強材料的干燥通過一個封閉的外部模具和一個擴展的內部模具的特殊組合完成鑄造，完成玻璃纖維增強材料的層壓之后，環氧樹脂材料在真空環境中注入，此后，葉片在封閉的模具中經高溫固化，一步完成完整、無縫的葉片制造。與其它制造商所采用傳統葉片制造方法相比，整體成型所具有的優點包括：該方法節省人力和空間，制造過程中僅需一個模具組；在外殼和承重桿之間沒有公差，使終的葉片結構完整，不存在膠水粘連部件，從而避免了裂縫、水分侵入、雷電對這些潛在威脅對葉片薄弱環節的不利因素。由于Integral Blade制造過程的封閉性，葉片制造工廠提供了一個干凈、漂亮的工作環境。
4 展 望
作為可持續性發展產業之一的風電產業，不僅要重視其生產成本和生產效率，更應該重視它給環境帶來的影響。目前使用的復合材料葉片屬熱固性復合材料，難以自然降解，以目前的工藝水平難以對其回利再利用，一般處理是填埋或燃燒，對環境造成了破壞。在未來的十幾年間，隨著退役葉片不斷增多，退役葉片的處理將會成為科學家和環保工作者必須面臨的一個現實問題。
各國制造商正在研究開發“綠色葉片”，發展可回收利用的熱塑性復合材料葉片。與熱固性復合材料相比，熱塑性復合材料具有質量輕、抗沖擊性能好、生產周期短等一系列優異性能。目前，愛爾蘭Gaoth風能公司、日本三菱重工和美國Cyclics公司簽署了合作協議開發熱塑性復合材料葉片，并已采用玻璃纖維增強Cyclics公司的低粘度熱塑性CBT樹脂制造出上12.6m可循環利用的風電葉片。據稱，這種葉片退役后，每套葉片回收的材料平均可達到19t。風能協會主席、印度風能協會主席Anil Kane博士稱，風能是當前上成長快的產業，其在近10年以24%的復合速率增長。08年我國風電總裝機容量約為1000萬kW，預計到2010年能達到2000萬kW，達到風力發電大國德國目前的水平。風電產業的迅猛發展為我國復合材料產業提供了一個難得的機遇，同時也面臨著激烈的國際競爭。我國復合材料產業的發展是機遇與挑戰并存。
