1　热塑性复合材料叶片的优点

　　在应用级(utility-scale)风电叶片中，相对于增强热固性树脂(FRP)叶片，热塑性复合材料
(FRTP)叶片具有以下优点：(1)绿色环保，加热呈塑性，成型工艺不是化学反应，不产生易挥发有机化合物(VOC)，报废后可回收；(2)FRP固化困难，固化周期长，而线性热塑性树脂的分子链不交联，没有固化周期，预型品从模具里取出后仍处于高温状态，成型功能持续进行着；(3)成型工艺较简易，对局部界面加热或焊接可使FRTP构件共凝固、粘接(co-consolidated orjoined)；小的FRTP构件可采用粒料注射模塑成型；(4)比强度(比强)大，重量相同条件下，FRTP构件的强度大于FRP构件；(5)构件的佳化设计、更轻巧，例如：为了提高刚度，可把叶片设计具有机肋和机梁的机翼；在现成的叶片里尽量采用结构芯材(如：泡沫芯材)，可吸收树脂，提高构件的重量和机加工成所需的形状；(6)一些机械性能较好，如：比刚度、延伸率、破坏容许极限均较高；延展性好，裂纹蔓延速度较慢，导致耐冲击性能好；用肉眼能发现隐藏在层压板玷污表面里边的凹痕(FRP的凹痕却不能)；(7)耐腐蚀性好，具有阻燃、阻烟、低毒性(FST)，耐树脂、其它沉淀物的腐蚀性好，耐破坏性好。

2　热塑性复合材料叶片的缺点

　　(1)疲劳性能较差，增强纤维与热塑性树脂之间(纤维／树脂)的粘接性能较差，纤维／树脂的键合力(bond)属机械性交联的――册凝固过程中纤维周围的树脂收缩而形成的，而不是化学键合力；FRTP通用的交联剂的功效也较差。(2)耐热性、耐蚀性较差，热和湿导致树脂膨胀，机械粘接力松弛致使树脂沿纤维滑动。(3)必须采用金属模具、成型能耗较高，因为大部分热塑性树脂加工较困难，熔融黏度很高，为了确保长纤维、连续纤维充分浸渍树脂，不得不提高成型温度、成型压力(consolidation pressures)。

3　湿法模塑成型工艺

　　研发FRP叶片的任务与焦点，就是克服上述缺点。其重要的驱动力是研发下述热塑性树脂：凝固状态(solidified)保持着足够大的力学性能；熔融状态呈现足够的非黏性(non-viscous)，达到能够彻底浸渍干纤维束，并使湿法模塑工艺得以顺利实施的目的。眼下，市场上已有一些上述的低黏度热塑性树脂。
　　德国德尔夫特技术大学(Tu Delft)Julie Tenwen博士研究员指出：普通热塑性树脂熔融浸渍方法中纤维浸渍树脂困难，要求成型温度高、成型压力高，因此不适合生产巨型风电叶片。于是，叶片生产者们宁愿沿用传统FRTP成型工艺，特别是选择真空浸渍工艺(vacuum infusion，国内也称：灌注法)生产巨型FRTP叶片。后者的特点是：基本投资适中；制品必须分成两“半儿”；为确保致密纤维预型材(fibre-dence preforms)充分浸渍树脂，要求树脂流动性好。可是，初研发的宇航用先进热塑性粘接基材[注]的熔融黏度很高，多数往往比热固性树脂高数倍。幸好一些低黏度热塑性树脂能买到，有的可通过化学改性(如：添加金属盐)来降低其熔融黏度。([注]：如：工作温度很高的聚醚醚酮[PEEK]、聚醚酰亚胺[PEI]、聚醚砜[PES]等；工作温度相对低的聚对苯二甲酸丁二酯[PBT]、聚酰胺[PA，也称尼龙]、聚丙烯[PP]等。)
　　PA的浸渍黏度约10mPa・S，是普通热固性树脂的1／10~1／100，比水高10倍。由于阴离子型PA6(APA6)可视为介于热塑性与热固性树脂之间的折衷材料，它的某些方面像热固性树脂，同时却也具有普通热塑性树脂的优点。除了这些，与大多数FRTP不同，由于所产生聚合度很高，它的机械性能没有降低，界面粘接性能强。所以，它的耐疲劳性能优良。
　　APA6的浸渍黏度低于单体PA。单体PA往往在固化温度下与PA6的高分子聚合主链进行反应。反应产物的机械性能不会降低。事实上，非增强反应性PA6(APA6低黏度)的拉伸强度高于高黏度非增强熔融PA6(HPA6)。真空浸渍工艺：利用活化了的APA6单体浸渍干纤维束，聚合反应条件为180％，30min，层压板里的纤维含量(体积比)可达50％，厚度可达5cm。
　　TU Delft介绍：我们现在不同直径、长度的缠绕成型薄壁GF增强热塑性复合材料管、小压力容器上已试制成功；计划将研制具有一定规模、供演示用的风电叶片；继续探究佳成型工艺的奥秘，例如：(1)如何利用纤维表面化学、纤维表面拓扑学提高纤维／树脂的粘接性能?(2)如何利用纳米材料(如：纳米CF、纳米黏土)防止材料吸收水分，并提高材料的机械陛能和热容许极限?等等。
　　PBT的工艺性优异，制品可大也可小；小制品可选用压力模塑成型、热成型、缠绕成型等工艺加工。CBT^®环状化合物是新一代高流动性热塑性树脂的代表。它是在催化剂的催化作用下，采用PBT与聚合内酰胺(polymeIized lactam)聚合反应而制得的。上世纪80年代末美国GE公司先研制成功。它的优点：(1)加工过程所产生的VOC微不足道；(2)树脂黏度很低，成型压力不高就可使致密纤维预型材快速、充分浸润树脂；(3)聚合反应温度低(低于PBT的熔点和结晶温度)，聚合过程放热低，制品脱模时模具不必冷却(缩短模塑周期)；(4)制品的性能，如：刚度、耐冲击强度、耐化学腐蚀性和尺寸稳定性等优良。总之，该材料很适用于加工风电叶片和其他制品。
　　欧洲Ems―Chemie AG研究利用阴离子聚合内酰胺(anionically polymerized Lactam―12[APLC―12])做前驱体，制备PA―12的新颖工艺，并获得成功：树脂的黏度很低，可顺利地浸渍厚的致密纤维材料；聚合反应需要加热，聚合时间从几秒到几分钟。
　　爱尔兰Galway大学复合材料研究所扩展了APILC―12复合材料的研究。EireComposites公司积极研究FRTP叶片、风电机舱壳体的湿法模塑成型工艺。国际性“绿色风电叶片研发课题(the GreenBlade Project)”【注】攻坚的目标是：研究、设计、生产、测试长12.6m风电叶片――这必将成为未来国际风电FRTP叶片全面的、典型样板。([注]：这是由EireComposites公司为领，三菱重工(日)、Ahlstrom Glassfibre和Cyclics Corporstion公司参与的研究课题。)
　　EireComposites公司拥有创新的模具技术：利用电产生的热能直接加热模具型腔，高模压温度达400℃(说明：上述CBT材料的成型温度才190～240℃；该模具若用于真空浸渍工艺或湿法模塑工艺，成型时间比模塑FRP降低2／3，成本也降低了。
　　反应性热塑性物料并不是树脂基复合材料唯一优秀的物料。TU Delft等研究成功将热塑
性树脂分子和乳化剂分子快速输送到纤维表面的低黏度载液(low―viscosity carrier liquids)。其
乳化聚合反应采用了一些单体化合物，例如：苯乙烯、丁二烯、丙烯腈、氯乙烯和乙酸乙烯
(酯)。该载液里的固体含量约60％。以ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)为粘结剂的FRTP成型工艺中已采用了该载液。

4　共混杂成型工艺(co-mingling)

　　采用了低黏度载液技术的湿法模塑工艺，并不是唯一优秀的FRTP成型技术路线。且看
共混杂成型工艺：热塑性树脂纤维与增强纤维共混杂而构成共混线纱(co-mingling yarn)；共混线纱加热过程中树脂纤维熔化并浸渍增强纤维，直到彻底浸渍所有增强纤维。下面列举该工艺的实例。
　　TWintex^®粗沙或织物――Owens Coming复合材料公司推出，是E-玻纤与热塑性树脂(如：PE、PP、PEI、、PBT)纤维的共混线纱。其共混杂成型工艺是：浸渍(浸渍温度180~230℃，高于树脂基材的的熔点)→加压→冷却→成型制品。
　　丹麦Comfil公司共混杂工艺中的增强纤维有：GF、CF和Aramid(芳香族聚酰胺纤维或芳纶纤维)；热塑性树脂编织纤维(spun fibre)有：PP、PET、PPS、PEEK和PBT纤维。GF／L-PET[注]已被改性，致使其熔点降为160~180℃，低于普通热塑性树脂的熔点(说明：PET的熔点为258℃)。这很具启示意义，令人关注!([注]：L-PET是非晶体聚对苯二甲酸乙二酯，经玻纤增强后其熔点就被降低了。)
　　丹麦Riso Technical University关于采用Twintex^®GF／PP和GF／L―PET加工的层压板的评价很高。真空成型单向纤维和0°／90°交织纤维的层压板(纤维含量40％[体积比])，都经受了1百万次循环的疲劳试验。Twintex^®单向纤维层压板试样的疲劳强度高，Comfil 0°纤维层压板试样的剪切疲劳强度高。另外的试验结果显示：采用铝阴模Twintex^®平纹布层压板厚9mm，18层叠起来，手糊和真空袋压工艺成型FRTP叶片壳体，整体网状织物被紧紧地压在
FRTP。叶片壳体内面，并进行了一次连续的热冲击试验：升温→保温→冷却。叶片壳体中部
是聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫芯材。由于PMI遇热会膨胀，因此要求叶片(特别是叶片壳体横断面的后缘)成型压力很高。
　　上述FRTP叶片研发动向和成果，深得世人高度关注与赞誉，丹麦LM公司――大的风电叶片公司就是其中的显著代表。该公司在极短时间内就能研制出优异的FRTP叶片。该公司的新叶片研发规划――“叶片王规划(Blade King)”攻坚的目标之一就是：将现在的叶片成型周期减半。为实现此目标热塑性树脂将发挥重要作用。预计新颖热塑性树脂――叶片新颖粘接基材于2015年面市很是关键。同理，未来海上风电巨型叶片成型工艺的高度自动化也是关键。基于此，“叶片王规划”的焦点之一，就是选用高度自动化成型工艺，如：选用自动化铺覆纤维、纤维织带技术，以提高铺覆增强材料的效率等。

5　叶片结构设计更新

　　荷兰TU Delft技术大学Teun Hulskamp研究员认为：由于风电叶片呈现越来越大(长)的发展趋势，采用热塑性树脂做叶片的粘接基材成为关键，基于此叶片结构重新设计是必然的。热塑性树脂做叶片的粘接基材具有以下优点：(1)FRTP叶片很像飞机机翼，具有机翼的优点，设计简易，结构更轻；(2)叶片采用较多块状芯材(bulky core material)和单个构件(individual parts)，终组装、焊接成叶片，可削减叶片的成本和重量；等等。
　　虽然Hulskamp研究员倡议：叶片尽可能多采用单个构件，终组装成叶片。事实上热塑性树脂可焊接，小FRTP构件可焊接成大构件乃至制品。FRTP被加热后构件的接触界面可浸渍，致使构件之间互相粘接成整体(制品)，接着在压力作用下冷却，凝固成型制品。FRTP被熔化→冷却，周而复始不影响制品的性能。
　　FRTP电阻焊接工艺的优点有：(1)工艺简易；(2)工艺设备价廉；(3)制品表面处理工作量少甚至没有；(4)充分利用纤维的热传导性，CF的热传导性优于GF，因此焊接CF／热塑性树脂所需的热能，远低于焊接GF／同样树脂的热能；(5)焊接完毕若发现焊缝有瑕疵，可重焊补救直至满意。目前，该工艺试制的材料只有CF／PEEK和CF／PPS。其工序是：①预粘接的层压板之间插入电加热元件；②层压板被加热；③层压板被焊接成整体而成型制品，这时电加热元件已成为焊缝的组成部分；④检查，若发现焊缝有瑕疵可重焊补救直至满意。
　　荷兰Kok&Van Englen复合材料公司(简称：KVE)也积极研究FRTP焊接技术，并拥有焊接CF／热塑性树脂材料的技术――“KVE感应焊接技术：线圈(绕组)在预焊缝里上下往复移动，同时层压板里的导电的CF感应产生涡流电流，进而产生热能。因此层压板的热能源自涡流电流，层压板自身内部加热，逐渐升温直至热塑性树脂基材就地熔化；同时产生感应焊接(induction welding)，将预焊构件焊牢成整体，终形成焊缝。”只有“特殊工具材料”――既透电磁波，又适当导热的材料才可感应焊接，非此材料不可焊接。显微镜检验结果显示：感应焊接一次凝固成型制品里边(a single consolidated laminate)的原始构件之间，没有明显的相边界。大批量生产(KVE感应焊接)制品要求材料处理和线圈在预焊缝里的移动高度自动化。感应焊接的工艺参数是根据材料里的纤维含量等因素确定的。这些参数必须连续地监测、控制。KVE公司深信：KVE感应焊接技术必将促进海上巨型风电叶片和陆上低速风电叶片的快速发展，CF在这些叶片中的作用与日俱增。荷兰StorkFokker公司已采用上述技术生产出FRTP制品，并研制成新一代飞机FRTP构件。
　　荷兰Stork Fokker公司、TenCate先进复合材料公司与美国波音公司在Twent大学联合建立“热塑性复合材料研究中心”。其重点研究领域是：宇航、能源和汽车等。总目标是研究可证实、经济效益高的成型工艺。