紡織復合材料在風力發電機葉片制造中的應用

　　碳纖維是含碳量高于90%的無機高分子纖維,不僅具有碳材料的固有本征特性,又兼備紡織纖維的柔軟可加工性,是新一代增強纖維。碳纖維的軸向強度和模量高, 無蠕變,耐疲勞性好,比熱及導電性介于非金屬和金屬之間,熱膨脹系數小,耐腐蝕性好,纖維的體積質量低,X射線透過性好。與傳統的玻璃纖維相比,碳纖維復合材料葉片的剛度是玻璃纖維復合材料葉片的2倍~3倍,且同樣長度的碳纖維葉片比玻璃纖維葉片要輕得多。隨著風力發電機葉片長度的增加,碳纖維作為葉片增強材料更能充分發揮其輕質高強的優點。

　　碳纖維復合材料價格取決于碳纖維價格,碳纖維復合材料雖然在性能上明顯優于玻璃纖維復合材料,但在價格上也是遠遠高于玻璃纖維復合材料,這在很大程度上限制了它的大規模應用。為此,世界各國正致力于從原材料、工藝技術、質量控制等方面深入研究,以期降低復合材料的成本,從而使碳纖維復合材料的價格大幅度下降。此外,隨著納米技術的發展,法國Nanoledge碳納米結構材料將引領復合材料領域的一場革命。碳納米結構材料具有更好的抗沖擊性、抗彎強度、防裂紋擴展性和導電性等多種功能,給葉片材料的發展提供了新的契機。由此可見,在風力發電機葉片大型化趨勢的推動下,采用碳纖維復合材料葉片將有著非常廣闊的發展前景。

　　1.3　碳玻混雜復合材料

　　隨著葉片長度的增加,對其剛度提出了更高的要求,同時考慮到碳纖維比玻璃纖維具有更高的價格,因此既能減輕葉片質量,提高葉片剛度和強度,同時又能兼顧葉片價格的一種有效方法就是采用碳玻混雜增強方案,其葉片可減重20%~30%。據悉,Nodex公司已經研制生產出長56m的海上風力發電機葉片和長 43m的陸上風力發電機葉片,其材料就是碳玻混雜增強復合材料。通常情況下,長度大于40m的風力發電機葉片可以采用碳玻混雜復合材料。

　　2　葉片復合材料的結構設計

　　過去用于增強的玻璃纖維和碳纖維基布材料大多采用經緯交織的機織物,但從承載狀態上來考慮,采用經編軸向織物作為增強復合材料的基布比經緯交織的機織物具有更明顯的優勢,如圖1所示。

　　這類軸向織物由于承受載荷的紗線系統按要求排列并綁縛在一起,因此能夠處于最佳的承載狀態。另一方面,軸向技術使得織物的紗線層能按照特定的方向伸直取向, 故每根纖維力學理論值的利用率幾乎能達到100%。此外,軸向織物的紗線層層鋪疊,按照不同的強度和剛度要求,可以在織物的同一層或不同層采用不同種類的纖維材料,如玻璃纖維、碳纖維或碳玻混雜纖維,再按照編織點由編織紗線將其綁縛在一起。除了經編軸向織物外,還可以利用緯編綁縛系統開發緯編軸向織物,如圖2所示。