复合材料风机叶片材料及工艺进展
摘 要：简述了复合材料风机叶片的基本现状，介绍了原材料和生产工艺方面的进展。
1 概 述
随着能源危机日趋严重，风能作为一种清洁的可再生能源日益受到各国重视。欧盟委员会为了鼓励风电产业发展，近年来推行了一系列能源政策，其中包括给予开发风能发电的企业和个人免税以及减税优惠，向其优先提供贷款，规定企业必须使用一定数量的由可再生能源产生的电力等，美国是现代联网型风电的起源地，同时也是早制定鼓励发展风电(包括其它可再生能源发电)法规的。我国“十一五”规划明确指出，新建风电场的风机叶片等风电设备的国产化率必须达到70%以上。
我国风能资源丰富，可开发利用的风能储备量约为10亿kW，其中，陆地上风能储量约为2.53亿kW(陆地上离地面10m高度资料计算)海上可开发和利用的风能储量约为7.5亿kW。
风力发电机组是由叶片、传动系统、发电机、储能设备、塔架及电气系统等组成的发电装置，其中叶片是发电机组捕获风能的关键部件，叶片的翼型设计与生产也是风电产业的技术核心。由于复合材料具有重量轻、比强度高、可设计性强等优点，因此，目前风机叶片多为复合材料叶片。一般认为小型风机叶片(22m以下)选用玻璃纤维增强，树脂基体以不饱和聚酯树脂为主，也可选用乙烯基树脂和环氧树脂；较大型叶片(42m以上)选用碳纤维增强或碳纤维和玻璃纤维混合增强，树脂基体以环氧树脂为主。
近年来，风力发电技术日益成熟，小型叶片已经不能满足发展需求，各国兑相发展大型风机叶片。上长的风机叶片达到了61.5m，由风力发电叶片大制造商LM GLASFIBER公司生产。然而，由于大型风机叶片尺寸大、质量高，因此对翼型设计、材料的选择以及成型工艺要求更高。特别是在生产和制造过程中遇到的一些问题，阻碍了风机叶片的生产效率。
2 原材料的改进
风机叶片的材料有直接影响风力发电机组的性能。风机叶片主要材料包括增强材料、基体材料、夹层泡沫、胶粘剂和各种辅助材料。目前大部分风机叶片使用的增强材料是玻璃纤维，部分大型风机叶片也采用玻璃纤维和碳纤维混杂增强复合材料。某些新型纤维也成为候选对象，如超高分子量聚乙烯纤维、玄武岩纤维等。基体材料目前大量使用不饱和聚酯树脂，其次还有乙烯基树脂、环氧树脂等。
为了满足风机叶片的要求，目前玻璃行维也在不断改进。欧文期科宁开发的WindStrand新一代增强型玻璃纤维，可在不增加叶片成本的情况下提高叶片的性能。据报道WindStrand可以提高叶片的硬度和强度，使叶片具有良好的抗疲劳性能，从而提高叶片的抗风性能，增长叶片的寿命，提高叶片的能量转换率。与传统的E-玻璃纤维相比，增强型WindStrand可以使叶片的重量降低10%。[-page-]
随着风机叶片长度的增加，单纯使用玻璃纤维，其刚度已经不能满足大型风机叶片的要求，因此碳纤维也逐渐被引入。荷兰代尔夫理工大学(Delft University of Technology,Netherlands)研究表明，碳纤维复合材料叶片的刚度是玻璃纤维复合材料叶片的两倍。碳纤维取代玻璃纤维不仅可以减轻叶片质量，而且性能更优异。但是碳纤维过于昂贵，一定程度上限制了其广泛使用。
由于环氧树脂作为叶片的基体材料，为叶片提供优异了的力学性能和耐腐蚀性能，在应用中逐渐取代了聚酯树脂。08年四月在法国巴黎JEC复合材料展上，陶氏化学公司正式有推出了用于风能的AIRSTONE系统组合产品。据介绍用于风能的AIRSTONE系统组合产品，基于可靠的环氧化学性质和技术，可使风力发电叶片更坚固、更轻便且更容易生产。其产品用于真空灌注、湿法手糊成型、模具树脂粘结剂等方面。
一般而言，复合材料制品在固化过程中放热不易控制，特别是在产品结构局部厚度较大处，放热峰温度过高，局部热量不易散去，易产生焦化。为了避免发生放热过多，固化过程通常分阶段进行，但延长了固化周期。为了缩短整个固化周期，Hexcel研发了一种专门用于叶片根部的低放热预混料，HexPly M19。据介绍HexPly M19是一种低毒性，环境友好型预混料，其大优点就是容易控制固化反应过程中的放热。HexPly M19与玻璃纤维和碳纤维一起使用，比同样条件下的一般预混料固化快15~20%。由于固化反应放热易控制，因此较传统预浸料在高温条件下固化时间短，从而缩短了固化周期。随着固化周期的缩短，模具成本和加工成本也相应地降低。据估算其模具成本可降低10%，模具使用寿命可延长30%。
据报道，瑞士材料技术公司Gurit还推出一款风能产业新产品 sparpreg，它是一种用厚层板部分的单向预浸料。据说该产品能够生产高质量的层板，且气泡较少，不需要灌注或添加干织物增强材料来辅助除去空气。一定程度上提高了生产效率，并降低了重量和成本。
3 生产工艺的改进
随着风机叶片的尺寸不断增加，为了保证发电机的平稳动行和塔架安全，要求叶片质量轻、外形尺寸精度高、质量分布均匀、长期使用性能可靠。因此风机叶片的生产工艺也在不断改进。
传统复合材料风机叶片多采用手糊成型。由于手糊成型是开模工艺，生产过程中会有大量的苯乙烯等挥发性有毒气体产生，给操作者和环境带来危害；另外，手糊成型生产效率低，产品质量稳定性差，因此手糊成型通常只用于生产叶片长度比较短和批量比较小的场合。
对于长度超过40m的叶片，一般采用直空灌注成型。真空灌注成型工艺是将纤维增强材料直接铺放在模具上，在纤维增强材料上铺放剥离层和高渗透介质，然后用真空薄膜包覆及密封，利用真空负压将树脂注入并浸透增强材料。由于真空灌注成型是闭模成型，因此在成型过程中苯乙烯挥发，改善了工作环境，简化了工艺操作。同时真空辅助可充分消除气泡，降低制品的孔隙率，能有效控制产品的含胶量，产品质量稳定性高。真空灌注成型工艺被认为一种效率高。成本低、质量好的生产工艺，已经被广泛使用。[-page-]
较真空灌注成型工艺相比，西门子风力发电集团研发的叶片整体成型(Integral Blade)技术，更简化了生产过程，能使叶片真正达到一次成型。其原理是玻璃纤维增强材料的干燥通过一个封闭的外部模具和一个扩展的内部模具的特殊组合完成铸造，完成玻璃纤维增强材料的层压之后，环氧树脂材料在真空环境中注入，此后，叶片在封闭的模具中经高温固化，一步完成完整、无缝的叶片制造。与其它制造商所采用传统叶片制造方法相比，整体成型所具有的优点包括：该方法节省人力和空间，制造过程中仅需一个模具组；在外壳和承重杆之间没有公差，使终的叶片结构完整，不存在胶水粘连部件，从而避免了裂缝、水分侵入、雷电对这些潜在威胁对叶片薄弱环节的不利因素。由于Integral Blade制造过程的封闭性，叶片制造工厂提供了一个干净、漂亮的工作环境。
4 展 望
作为可持续性发展产业之一的风电产业，不仅要重视其生产成本和生产效率，更应该重视它给环境带来的影响。目前使用的复合材料叶片属热固性复合材料，难以自然降解，以目前的工艺水平难以对其回利再利用，一般处理是填埋或燃烧，对环境造成了破坏。在未来的十几年间，随着退役叶片不断增多，退役叶片的处理将会成为科学家和环保工作者必须面临的一个现实问题。
各国制造商正在研究开发“绿色叶片”，发展可回收利用的热塑性复合材料叶片。与热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有质量轻、抗冲击性能好、生产周期短等一系列优异性能。目前，爱尔兰Gaoth风能公司、日本三菱重工和美国Cyclics公司签署了合作协议开发热塑性复合材料叶片，并已采用玻璃纤维增强Cyclics公司的低粘度热塑性CBT树脂制造出上12.6m可循环利用的风电叶片。据称，这种叶片退役后，每套叶片回收的材料平均可达到19t。风能协会主席、印度风能协会主席Anil Kane博士称，风能是当前上成长快的产业，其在近10年以24%的复合速率增长。08年我国风电总装机容量约为1000万kW，预计到2010年能达到2000万kW，达到风力发电大国德国目前的水平。风电产业的迅猛发展为我国复合材料产业提供了一个难得的机遇，同时也面临着激烈的国际竞争。我国复合材料产业的发展是机遇与挑战并存。
1 概 述
随着能源危机日趋严重，风能作为一种清洁的可再生能源日益受到各国重视。欧盟委员会为了鼓励风电产业发展，近年来推行了一系列能源政策，其中包括给予开发风能发电的企业和个人免税以及减税优惠，向其优先提供贷款，规定企业必须使用一定数量的由可再生能源产生的电力等，美国是现代联网型风电的起源地，同时也是早制定鼓励发展风电(包括其它可再生能源发电)法规的。我国“十一五”规划明确指出，新建风电场的风机叶片等风电设备的国产化率必须达到70%以上。
我国风能资源丰富，可开发利用的风能储备量约为10亿kW，其中，陆地上风能储量约为2.53亿kW(陆地上离地面10m高度资料计算)海上可开发和利用的风能储量约为7.5亿kW。
风力发电机组是由叶片、传动系统、发电机、储能设备、塔架及电气系统等组成的发电装置，其中叶片是发电机组捕获风能的关键部件，叶片的翼型设计与生产也是风电产业的技术核心。由于复合材料具有重量轻、比强度高、可设计性强等优点，因此，目前风机叶片多为复合材料叶片。一般认为小型风机叶片(22m以下)选用玻璃纤维增强，树脂基体以不饱和聚酯树脂为主，也可选用乙烯基树脂和环氧树脂；较大型叶片(42m以上)选用碳纤维增强或碳纤维和玻璃纤维混合增强，树脂基体以环氧树脂为主。
近年来，风力发电技术日益成熟，小型叶片已经不能满足发展需求，各国兑相发展大型风机叶片。上长的风机叶片达到了61.5m，由风力发电叶片大制造商LM GLASFIBER公司生产。然而，由于大型风机叶片尺寸大、质量高，因此对翼型设计、材料的选择以及成型工艺要求更高。特别是在生产和制造过程中遇到的一些问题，阻碍了风机叶片的生产效率。
2 原材料的改进
风机叶片的材料有直接影响风力发电机组的性能。风机叶片主要材料包括增强材料、基体材料、夹层泡沫、胶粘剂和各种辅助材料。目前大部分风机叶片使用的增强材料是玻璃纤维，部分大型风机叶片也采用玻璃纤维和碳纤维混杂增强复合材料。某些新型纤维也成为候选对象，如超高分子量聚乙烯纤维、玄武岩纤维等。基体材料目前大量使用不饱和聚酯树脂，其次还有乙烯基树脂、环氧树脂等。
为了满足风机叶片的要求，目前玻璃行维也在不断改进。欧文期科宁开发的WindStrand新一代增强型玻璃纤维，可在不增加叶片成本的情况下提高叶片的性能。据报道WindStrand可以提高叶片的硬度和强度，使叶片具有良好的抗疲劳性能，从而提高叶片的抗风性能，增长叶片的寿命，提高叶片的能量转换率。与传统的E-玻璃纤维相比，增强型WindStrand可以使叶片的重量降低10%。[-page-]
随着风机叶片长度的增加，单纯使用玻璃纤维，其刚度已经不能满足大型风机叶片的要求，因此碳纤维也逐渐被引入。荷兰代尔夫理工大学(Delft University of Technology,Netherlands)研究表明，碳纤维复合材料叶片的刚度是玻璃纤维复合材料叶片的两倍。碳纤维取代玻璃纤维不仅可以减轻叶片质量，而且性能更优异。但是碳纤维过于昂贵，一定程度上限制了其广泛使用。
由于环氧树脂作为叶片的基体材料，为叶片提供优异了的力学性能和耐腐蚀性能，在应用中逐渐取代了聚酯树脂。08年四月在法国巴黎JEC复合材料展上，陶氏化学公司正式有推出了用于风能的AIRSTONE系统组合产品。据介绍用于风能的AIRSTONE系统组合产品，基于可靠的环氧化学性质和技术，可使风力发电叶片更坚固、更轻便且更容易生产。其产品用于真空灌注、湿法手糊成型、模具树脂粘结剂等方面。
一般而言，复合材料制品在固化过程中放热不易控制，特别是在产品结构局部厚度较大处，放热峰温度过高，局部热量不易散去，易产生焦化。为了避免发生放热过多，固化过程通常分阶段进行，但延长了固化周期。为了缩短整个固化周期，Hexcel研发了一种专门用于叶片根部的低放热预混料，HexPly M19。据介绍HexPly M19是一种低毒性，环境友好型预混料，其大优点就是容易控制固化反应过程中的放热。HexPly M19与玻璃纤维和碳纤维一起使用，比同样条件下的一般预混料固化快15~20%。由于固化反应放热易控制，因此较传统预浸料在高温条件下固化时间短，从而缩短了固化周期。随着固化周期的缩短，模具成本和加工成本也相应地降低。据估算其模具成本可降低10%，模具使用寿命可延长30%。
据报道，瑞士材料技术公司Gurit还推出一款风能产业新产品 sparpreg，它是一种用厚层板部分的单向预浸料。据说该产品能够生产高质量的层板，且气泡较少，不需要灌注或添加干织物增强材料来辅助除去空气。一定程度上提高了生产效率，并降低了重量和成本。
3 生产工艺的改进
随着风机叶片的尺寸不断增加，为了保证发电机的平稳动行和塔架安全，要求叶片质量轻、外形尺寸精度高、质量分布均匀、长期使用性能可靠。因此风机叶片的生产工艺也在不断改进。
传统复合材料风机叶片多采用手糊成型。由于手糊成型是开模工艺，生产过程中会有大量的苯乙烯等挥发性有毒气体产生，给操作者和环境带来危害；另外，手糊成型生产效率低，产品质量稳定性差，因此手糊成型通常只用于生产叶片长度比较短和批量比较小的场合。
对于长度超过40m的叶片，一般采用直空灌注成型。真空灌注成型工艺是将纤维增强材料直接铺放在模具上，在纤维增强材料上铺放剥离层和高渗透介质，然后用真空薄膜包覆及密封，利用真空负压将树脂注入并浸透增强材料。由于真空灌注成型是闭模成型，因此在成型过程中苯乙烯挥发，改善了工作环境，简化了工艺操作。同时真空辅助可充分消除气泡，降低制品的孔隙率，能有效控制产品的含胶量，产品质量稳定性高。真空灌注成型工艺被认为一种效率高。成本低、质量好的生产工艺，已经被广泛使用。[-page-]
较真空灌注成型工艺相比，西门子风力发电集团研发的叶片整体成型(Integral Blade)技术，更简化了生产过程，能使叶片真正达到一次成型。其原理是玻璃纤维增强材料的干燥通过一个封闭的外部模具和一个扩展的内部模具的特殊组合完成铸造，完成玻璃纤维增强材料的层压之后，环氧树脂材料在真空环境中注入，此后，叶片在封闭的模具中经高温固化，一步完成完整、无缝的叶片制造。与其它制造商所采用传统叶片制造方法相比，整体成型所具有的优点包括：该方法节省人力和空间，制造过程中仅需一个模具组；在外壳和承重杆之间没有公差，使终的叶片结构完整，不存在胶水粘连部件，从而避免了裂缝、水分侵入、雷电对这些潜在威胁对叶片薄弱环节的不利因素。由于Integral Blade制造过程的封闭性，叶片制造工厂提供了一个干净、漂亮的工作环境。
4 展 望
作为可持续性发展产业之一的风电产业，不仅要重视其生产成本和生产效率，更应该重视它给环境带来的影响。目前使用的复合材料叶片属热固性复合材料，难以自然降解，以目前的工艺水平难以对其回利再利用，一般处理是填埋或燃烧，对环境造成了破坏。在未来的十几年间，随着退役叶片不断增多，退役叶片的处理将会成为科学家和环保工作者必须面临的一个现实问题。
各国制造商正在研究开发“绿色叶片”，发展可回收利用的热塑性复合材料叶片。与热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有质量轻、抗冲击性能好、生产周期短等一系列优异性能。目前，爱尔兰Gaoth风能公司、日本三菱重工和美国Cyclics公司签署了合作协议开发热塑性复合材料叶片，并已采用玻璃纤维增强Cyclics公司的低粘度热塑性CBT树脂制造出上12.6m可循环利用的风电叶片。据称，这种叶片退役后，每套叶片回收的材料平均可达到19t。风能协会主席、印度风能协会主席Anil Kane博士称，风能是当前上成长快的产业，其在近10年以24%的复合速率增长。08年我国风电总装机容量约为1000万kW，预计到2010年能达到2000万kW，达到风力发电大国德国目前的水平。风电产业的迅猛发展为我国复合材料产业提供了一个难得的机遇，同时也面临着激烈的国际竞争。我国复合材料产业的发展是机遇与挑战并存。
