中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司賈智源/材料實(shí)驗(yàn)室主任
各位同事下午好，感謝組委會(huì)給的這個(gè)機(jī)會(huì)去談一下個(gè)人對(duì)風(fēng)電葉片單向復(fù)合材料的認(rèn)識(shí)，首先跟大家抱歉一下，雖然是一個(gè)題目，我會(huì)講兩個(gè)內(nèi)容，前面講一下單向復(fù)合材料后面介紹一下比較有意義的無(wú)損檢測(cè)結(jié)果。
我主要分三個(gè)部分講，單向復(fù)合材料對(duì)風(fēng)電葉片的重要性； 以提高模量為重心的發(fā)展方向；過(guò)么正在進(jìn)行中的材料技術(shù)升級(jí)。
單向復(fù)合材料熟悉的人不陌生，單向復(fù)合材料是風(fēng)電葉片主承力結(jié)構(gòu)的重要組成，主要用于風(fēng)電葉片的主梁帽的部分，設(shè)計(jì)要求是剛性，壓縮強(qiáng)度，橫向性能，疲勞；常用的工藝真空導(dǎo)入成型或浸料轉(zhuǎn)型；常用原材料：?jiǎn)屋S向織物或預(yù)浸料，樹(shù)脂。
風(fēng)電葉片大型化提高了對(duì)結(jié)構(gòu)減重的技術(shù)需求。重量帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，固有頻率與葉片旋轉(zhuǎn)頻率接近，易發(fā)生共振；主梁帽層間失效風(fēng)險(xiǎn)增加。對(duì)葉根抗疲勞能力提出更高的要求，導(dǎo)致運(yùn)輸、安裝困難，系統(tǒng)整體成本提高。單向復(fù)合材料是結(jié)構(gòu)減重的主力，56m 3MW葉片采用碳纖維單向復(fù)合材料結(jié)構(gòu)減重顯著。葉片所減少的重量幾乎就是單向復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（主梁帽）所減少的重量。單向復(fù)合材料需要兼顧剛性與疲勞性能， 雖然葉片變長(zhǎng)了，但是我希望不要變的那么重。
我強(qiáng)調(diào)單向復(fù)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)所減少的重量。單向性能在葉片設(shè)計(jì)最重要兩個(gè)方面，一個(gè)是剛性，另外是一個(gè)疲勞，剛性跟使用纖維有關(guān)，疲勞性能得益于有沒(méi)有良好的拉伸能力。從大的趨勢(shì)來(lái)講，以提高模量為重心，但是這個(gè)不是我們最終目的，我們最終目的實(shí)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)減重的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)成本的降低。
以提高模量為重心的發(fā)展方向，為了風(fēng)電葉片的結(jié)構(gòu)減重需求，需要發(fā)展模量更高的單向復(fù)合材料。2015年6月，挪威GL的高級(jí)首席工程師Dayton Griffin在CompositeWorld中發(fā)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(jiàn)其他種類(lèi)的纖維。
高模量玻纖由于價(jià)格低廉，供應(yīng)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(lái)越多的應(yīng)用。優(yōu)點(diǎn)：不改變現(xiàn)有生產(chǎn)工藝，成本增加較少。缺點(diǎn)：模量增加幅度有限。
下面是碳纖維成本高的讓我們業(yè)內(nèi)難以接受，碳纖維在大型風(fēng)電葉片中應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)不少于20%的葉片減重。但由于成本高，供應(yīng)不穩(wěn)定，應(yīng)用推廣困難。預(yù)浸料技術(shù)模量提升200%到300%，優(yōu)點(diǎn)技術(shù)成熟，已經(jīng)得到應(yīng)用驗(yàn)證，缺點(diǎn)對(duì)制造工藝要求高，成本高。真空導(dǎo)入技術(shù)，較預(yù)浸料技術(shù)略低，優(yōu)點(diǎn)是不改變現(xiàn)有生活工藝，工藝成本增加較少，缺點(diǎn)是成本高，對(duì)編織技術(shù)要求高。拉擠技術(shù)模量提升200%到350%，優(yōu)點(diǎn)碳纖維含量較高，抗壓性能得到保障。缺點(diǎn)就是工藝變化大，葉片結(jié)構(gòu)需重新設(shè)計(jì)。
普通E玻纖提高0度纖維含量，改變織物結(jié)構(gòu)，增加面重降低維紗含量，單向符合材料模量提升5%到15%，優(yōu)點(diǎn)不改變現(xiàn)有生產(chǎn)工藝，成本增加小，缺點(diǎn)模量提高幅度有限，并增加疲勞風(fēng)險(xiǎn)。使用拉擠工藝，單向復(fù)合材料模量提升5%到15%，優(yōu)點(diǎn)纖維分布均勻，抗壓能力高，缺點(diǎn)，工藝大調(diào)整，結(jié)構(gòu)需要重新設(shè)計(jì)。如何兼顧工藝穩(wěn)定性和材料的疲勞性能要求是技術(shù)難點(diǎn)。
國(guó)內(nèi)正在進(jìn)行材料升級(jí)方向，第一個(gè)是高模量玻纖的國(guó)產(chǎn)化基本完成。我們進(jìn)行了一些分析，對(duì)于常見(jiàn)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(xué)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(dǎo)入工藝下，由于纖維體積含量的不同，高模玻纖層合板表現(xiàn)出不同的0度拉伸性能，尤其強(qiáng)度差別較大。
第二個(gè)S級(jí)玻纖為有可能在葉片上得到應(yīng)用，S級(jí)提高了幅度也是比較小，但是不失為未來(lái)一個(gè)選擇性。真空袋壓碳纖維預(yù)浸料成型主梁帽已經(jīng)形成批量，使用碳纖維預(yù)浸料制作葉片，需要增加鋪放工裝和人員，對(duì)鋪層要求比較嚴(yán)格。真空導(dǎo)入成型碳纖維主梁帽技術(shù)已經(jīng)成熟，技術(shù)在45.2m葉片得到驗(yàn)證，減重效果與預(yù)浸料技術(shù)相當(dāng)。碳玻混雜技術(shù)提供更多的選擇機(jī)會(huì)。填補(bǔ)了玻纖到碳纖（40~120GPa）模量的空白，給葉片設(shè)計(jì)人員提供了更多
的選擇；合理的減重和主機(jī)協(xié)同優(yōu)化，有助于實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的成本最優(yōu)。拉擠成型技術(shù)被認(rèn)為是一種有望大幅度降低葉片成本的技術(shù)。自動(dòng)化程度高，產(chǎn)品纖維含量高，力學(xué)性能高，纖維方向一致性高，缺陷少，可聯(lián)系生活，占用空間小，垃圾工藝優(yōu)勢(shì)。
開(kāi)發(fā)中的可用于提高纖維含量的低粘度樹(shù)脂，在沿纖維方向的拉伸性能上，采用PU的單向復(fù)合材料層合板的。模量比EP提高了6.8%，強(qiáng)度基本相當(dāng)；在沿纖維方向的壓縮性能上，采用PU的單向復(fù)合材料層合板，模量提高了18.9%，而強(qiáng)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(fù)合材料層合板的強(qiáng)度提高了62.6%。
單向復(fù)合材料模量在增加，但是性?xún)r(jià)比呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)；? 若可以提高纖維含量，將有助于成本的降低和性?xún)r(jià)比的提高。
這就是我的報(bào)告。謝謝大家！
