紡織復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片制造中的應(yīng)用

　　國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展離不開充足的電能,美國能源部信息管理局發(fā)布的《國際能源展望2006》預(yù)計(jì),2015年全世界的用電量將達(dá)到2.2PW,到 2030年將達(dá)到3.0PW。目前電能的主要來源有熱力發(fā)電、水力發(fā)電和核發(fā)電,隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng),同時(shí)在全球能源日益緊缺的大環(huán)境下,一種取之不盡、用之不竭的清潔可再生能源--風(fēng)能倍受青睞,而風(fēng)力發(fā)電也愈來愈受到世界各國的重視。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有效捕獲風(fēng)能的關(guān)鍵部件,葉片的材料越輕、強(qiáng)度和剛度越高,葉片抵御載荷的能力就越強(qiáng),葉片就可以做得越大,它的捕風(fēng)能力也就越強(qiáng)。因此,質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐久性好的紡織復(fù)合材料成為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的首選材料。此外,大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片質(zhì)量的90%以上都是由復(fù)合材料組成,見風(fēng)力發(fā)電將是紡織復(fù)合材料的一個(gè)巨大潛在市場。根據(jù)資料報(bào)道,到2020年,我國將投資2000億人民幣用于風(fēng)力發(fā)電建設(shè),新增風(fēng)力發(fā)電能力將達(dá)3000MW,并要求風(fēng)力發(fā)電裝備本土化。這無疑為我國紡織復(fù)合材料葉片的開發(fā)研制提供了一個(gè)不可多得的發(fā)展機(jī)遇。

　　1　葉片復(fù)合材料的應(yīng)用和發(fā)展

　　復(fù)合材料是以一種材料為基體,另一種材料為增強(qiáng)體組成的材料。各種材料在性能上互相取長補(bǔ)短,產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng),使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。在紡織復(fù)合材料設(shè)計(jì)中,用紡織品作為增強(qiáng)材料,而另一個(gè)組分作為基體材料。因此,選擇纖維和基體的材料,并充分考慮兩者之間的相互作用是關(guān)鍵。

　　1.1　玻璃纖維復(fù)合材料

　　玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的無機(jī)非金屬材料,強(qiáng)度高且具有很好的柔軟性、絕緣性和保溫性,通常作為復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料,配合樹脂賦予形狀后可以成為優(yōu)良的結(jié)構(gòu)用材。目前制造風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的主要材料即為玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂和玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂。玻璃纖維按照組成、性質(zhì)和用途,可分為不同的級別,E級玻璃纖維使用最普遍,也是目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的主流增強(qiáng)材料。但E級玻璃纖維體積質(zhì)量較大,隨著葉片長度的增加,葉片的質(zhì)量也越來越大,不利于葉片速度的提高。此外,E級玻璃纖維極易被無機(jī)酸侵蝕,不適用于酸性環(huán)境,因此E級玻璃纖維已經(jīng)逐漸不能滿足葉片發(fā)展的需要。

　　S級玻璃纖維是另一種不同級別的玻璃纖維,模量高達(dá)85.5GPa,比E級玻璃纖維高18%,且強(qiáng)度高出33%。僅從技術(shù)角度上來講,這種高強(qiáng)高斷裂應(yīng)變的S級玻璃纖維在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片上的應(yīng)用有著很大的潛力。但因產(chǎn)量小使其價(jià)格頗高,因此至今沒能成為葉片的主流增強(qiáng)材料。但是,隨著美國AGY公司對S級玻璃纖維進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)規(guī)劃的推出,相信在不久的將來,S級玻璃纖維作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片增強(qiáng)材料一定會(huì)有更大的發(fā)展空間。

　　1.2　碳纖維復(fù)合材料