復合材料風機葉片工藝的現狀與未來

    風力發電機組在工作過程中，復合材料葉片不僅要承受強大的風載荷，還要經受氣體沖刷、砂石粒子沖擊、以及強烈的紫外線照射等外界的侵蝕。為了充分發揮增強材料的增強作用，提高復合材料葉片的承擔載荷、耐腐蝕和耐沖刷等項性能，LM公司等復合材料葉片的制造商們還對樹脂基體系統進行了精心設計和改進。采用性能優異的環氧樹脂代替不飽和聚酯樹脂，改善了玻璃纖維/樹脂界面的粘結性能，提高了葉片的承載能力，擴大了玻璃纖維在大型葉片中的應用范圍。為提高復合材料葉片在惡劣工作環境中長期使用性能，SP公司專門研究開發出耐紫外線輻射的新型環氧樹脂系統，以滿足風力發電葉片耐久性的要求。
    在風力發電的初期階段，由于發電機的功率較小，需要的復合材料葉片尺寸也比較小，葉片質量分布的均勻性對發電機和塔座的影響不十分顯現；而且，當時人們對開模成型工藝時苯乙烯揮發給大氣環境造成的污染，對操作人員造成的身體危害并為引起足夠的認識。因此，初的小型復合材料葉片制造基本采用簡單易行的手糊成型工藝。
    隨著風力發電機功率的不斷提高，安裝發電機的塔座和捕捉風能的復合材料葉片做的越來越大。為了保證發電機運行平穩和塔座安全，不僅要求葉片的質量輕也要求葉片的質量分布必須均勻、外形尺寸精度控制準確、長期使用性能可靠。若要滿足上述要求，需要相應的成型工藝來保證。
    另外，復合材料制造過程中苯乙烯揮發對環境和操作人員產生的不良影響也越來越引起人們的重視，一些發達已經制定出相應的法規，我國也對生產過程中產生的有害揮發物有明確的限制規定。因此，復合材料成型工藝隨之發生變化逐漸由開模工藝向閉模工藝轉變，以減少苯乙烯自然揮發對環境和人體的危害。
    在大型復合材料葉片制造過程中也反映出這一成型工藝的變化：先，葉片的制造工藝由手糊成型向著濕法鋪放工藝的轉變，增強材料的現場浸漬逐漸轉向預先浸漬，開始采用玻璃纖維/聚酯或玻璃纖維/環氧預浸料，大幅度的降低了成型過程中苯乙烯的揮發。這樣，不僅樹脂含量容易精確控制，保證了復合材料葉片的質量分布均勻，而且增強材料鋪設角度準確，可以有效地發揮增強材料的性能，提高復合材料的承載能力。其次，開模成型工藝向著閉模工藝發展，為了改善成型環境，減少有害氣體的揮發，進一步提高葉片的質量穩定性，大型復合材料葉片的制造開始引入樹脂注入工藝技術。在樹脂注入工藝中，樹脂基體在真空壓力的作用下，可以更完全的浸漬增強材料，不僅能夠準確的控制樹脂含量，充分發揮增強材料的作用，提高復合材料葉片的承載能力，而且無需大型專用設備，制造成本較低。
    與此同時，葉片的制造模具也在悄悄的發生變化。大型復合材料葉片的外形尺寸與制造模具有著及其密切的關系。為保證復合材料葉片設計外形和尺寸精度，葉片長度越長，成型時對模具剛度和強度的要求就越高，模具的重量和成本也會大幅度的提高。為了降低模具成本，減輕模具重量，大型復合材料葉片的制造模具也逐漸由金屬模具向著復合材料模具轉變，這也意味著復合材料葉片可以做的更長。另外，由于模具和葉片采用了相同的材料，模具材料的熱膨脹系數與葉片材料基本相同，制造出的復合材料葉片的精確度和尺寸穩定性均優于金屬模具制造的葉片產品。
    此外，隨著計算機技術和自動控制技術應用領域的擴大，大型復合材料葉片的制造技術也在不斷的進步。LM公司將機器人技術用于大型葉片的纖維鋪覆和粘結，并將計算機技術應用于工藝過程的實施監控和數據記錄，為用戶提供可追溯的資料作為可靠性保證的依據。
    選擇佳的材料體系和制造工藝，制造出質量好的復合材料葉片，以滿足風力發電快速發展的需求，未來的成型工藝將給復合材料葉片制造提供優的實施手段。
    以小的葉片重量獲得大的葉片面積，使得葉片具有更高的捕風能力，葉片的優化設計顯得十分重要，尤其是符合空氣動力學要求的大型復合材料葉片的佳外形設計和結構優化設計的重要性尤為突出，它是實現葉片的材料/工藝有效結合的軟件支撐。另外，計算機仿真技術的應用也使得葉片的結構與層合板設計更加細化，有力的支持了佳工藝參數的確定。