中材科技風電葉片股份有限公司賈智源/材料實驗室主任
各位同事下午好，感謝組委會給的這個機會去談一下個人對風電葉片單向復合材料的認識，首先跟大家抱歉一下，雖然是一個題目，我會講兩個內容，前面講一下單向復合材料后面介紹一下比較有意義的無損檢測結果。
我主要分三個部分講，單向復合材料對風電葉片的重要性； 以提高模量為重心的發展方向；過么正在進行中的材料技術升級。
單向復合材料熟悉的人不陌生，單向復合材料是風電葉片主承力結構的重要組成，主要用于風電葉片的主梁帽的部分，設計要求是剛性，壓縮強度，橫向性能，疲勞；常用的工藝真空導入成型或浸料轉型；常用原材料：單軸向織物或預浸料，樹脂。
風電葉片大型化提高了對結構減重的技術需求。重量帶來的風險，固有頻率與葉片旋轉頻率接近，易發生共振；主梁帽層間失效風險增加。對葉根抗疲勞能力提出更高的要求，導致運輸、安裝困難，系統整體成本提高。單向復合材料是結構減重的主力，56m 3MW葉片采用碳纖維單向復合材料結構減重顯著。葉片所減少的重量幾乎就是單向復合材料結構（主梁帽）所減少的重量。單向復合材料需要兼顧剛性與疲勞性能， 雖然葉片變長了，但是我希望不要變的那么重。
我強調單向復合材料重要性，它是葉片材料減重的阻力，葉片所減少的重量幾乎就是單向復合材料結構所減少的重量。單向性能在葉片設計最重要兩個方面，一個是剛性，另外是一個疲勞，剛性跟使用纖維有關，疲勞性能得益于有沒有良好的拉伸能力。從大的趨勢來講，以提高模量為重心，但是這個不是我們最終目的，我們最終目的實現在結構減重的同時，也實現成本的降低。
以提高模量為重心的發展方向，為了風電葉片的結構減重需求，需要發展模量更高的單向復合材料。2015年6月，挪威GL的高級首席工程師Dayton Griffin在CompositeWorld中發表。文章“Wind turbine blades: Back to the future?”中提出，在保證足夠剛度的前提下葉片減重的方法有三種：1）增加普通E玻纖的纖維重量含量；2）使用高模量玻纖；3）使用碳纖維或其他替代品。使用高模量纖維主要是高模量玻纖與碳纖維，鮮見其他種類的纖維。
高模量玻纖由于價格低廉，供應充足，高模量玻纖（比普通E玻纖模量提升10%-
15%）在大型葉片中得到越來越多的應用。優點：不改變現有生產工藝，成本增加較少。缺點：模量增加幅度有限。
下面是碳纖維成本高的讓我們業內難以接受，碳纖維在大型風電葉片中應用可以實現不少于20%的葉片減重。但由于成本高，供應不穩定，應用推廣困難。預浸料技術模量提升200%到300%，優點技術成熟，已經得到應用驗證，缺點對制造工藝要求高，成本高。真空導入技術，較預浸料技術略低，優點是不改變現有生活工藝，工藝成本增加較少，缺點是成本高，對編織技術要求高。拉擠技術模量提升200%到350%，優點碳纖維含量較高，抗壓性能得到保障。缺點就是工藝變化大，葉片結構需重新設計。
普通E玻纖提高0度纖維含量，改變織物結構，增加面重降低維紗含量，單向符合材料模量提升5%到15%，優點不改變現有生產工藝，成本增加小，缺點模量提高幅度有限，并增加疲勞風險。使用拉擠工藝，單向復合材料模量提升5%到15%，優點纖維分布均勻，抗壓能力高，缺點，工藝大調整，結構需要重新設計。如何兼顧工藝穩定性和材料的疲勞性能要求是技術難點。
國內正在進行材料升級方向，第一個是高模量玻纖的國產化基本完成。我們進行了一些分析，對于常見的四種高模玻纖單向織物，其中D為泰山玻纖的HMG高模玻纖。（1）高模玻纖原紗粗紗浸膠紗的拉伸力學性能相近。（2）RTM工藝下，等厚層合板的0度拉伸性能相近。但在真空導入工藝下，由于纖維體積含量的不同，高模玻纖層合板表現出不同的0度拉伸性能，尤其強度差別較大。
第二個S級玻纖為有可能在葉片上得到應用，S級提高了幅度也是比較小，但是不失為未來一個選擇性。真空袋壓碳纖維預浸料成型主梁帽已經形成批量，使用碳纖維預浸料制作葉片，需要增加鋪放工裝和人員，對鋪層要求比較嚴格。真空導入成型碳纖維主梁帽技術已經成熟，技術在45.2m葉片得到驗證，減重效果與預浸料技術相當。碳玻混雜技術提供更多的選擇機會。填補了玻纖到碳纖（40~120GPa）模量的空白，給葉片設計人員提供了更多
的選擇；合理的減重和主機協同優化，有助于實現風電機組的成本最優。拉擠成型技術被認為是一種有望大幅度降低葉片成本的技術。自動化程度高，產品纖維含量高，力學性能高，纖維方向一致性高，缺陷少，可聯系生活，占用空間小，垃圾工藝優勢。
開發中的可用于提高纖維含量的低粘度樹脂，在沿纖維方向的拉伸性能上，采用PU的單向復合材料層合板的。模量比EP提高了6.8%，強度基本相當；在沿纖維方向的壓縮性能上，采用PU的單向復合材料層合板，模量提高了18.9%，而強度提高了27.1%；在垂直于纖維方向的拉伸性能上，采用PU的單向復合材料層合板的強度提高了62.6%。
單向復合材料模量在增加，但是性價比呈現不斷下降的趨勢；? 若可以提高纖維含量，將有助于成本的降低和性價比的提高。
這就是我的報告。謝謝大家！
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