1、概述

    風(fēng)力發(fā)電是綠色能源的一種， 進(jìn)入21 世紀(jì)，在全球的發(fā)展可以說是風(fēng)起云涌。復(fù)合材料在新能源發(fā)展領(lǐng)域中的應(yīng)用主要是用來制造風(fēng)電機(jī)組的葉片。

    隨著風(fēng)力發(fā)電功率的不斷提高，捕捉風(fēng)能的葉片也越做越大，對葉片的要求也越來越高，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)，葉片長度也由原來的30——40 m 增加至60 m 以上。在葉片長度增加的同時，如何減輕風(fēng)電葉片的重量成為了風(fēng)電設(shè)備行業(yè)需要共同面對的問題。因此，輕質(zhì)高強(qiáng)、耐蝕性好，具有可設(shè)計性的復(fù)合材料是目前大型風(fēng)電葉片的首選材料。

    2、長纖維復(fù)合材料在風(fēng)力機(jī)葉片的應(yīng)用現(xiàn)狀

    隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，長纖維增強(qiáng)熱塑性材料也隨之飛快發(fā)展，已成為增強(qiáng)塑料行業(yè)中增長最快的產(chǎn)業(yè)之一。長纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料在歐美發(fā)達(dá)國家已得到大力發(fā)展。

    2.1 玻璃纖維復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片

    （1）玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂的風(fēng)力機(jī)葉片當(dāng)葉片長度為19 m 時，其質(zhì)量為1.8 t，長度增加到34 m 時，葉片質(zhì)量為5.8 t ；葉片長度達(dá)到52 m 時，則其質(zhì)量高達(dá)21 t ，因此需要尋找更好的材料以適應(yīng)大型葉片發(fā)展的要求。

    又如上海市崇明縣（一個大島），在近幾年內(nèi)按能源規(guī)劃將已建成風(fēng)力機(jī)發(fā)電2.7 萬臺，其數(shù)量十分驚人。我國沿海城市很多，如北方有大連、旅順、青島、煙臺、威海等；南方有海南島、珠海、汕頭、溫州、舟山島等，將有很大的發(fā)展應(yīng)用前途。

    （2）玻璃纖維材料，應(yīng)用性能及優(yōu)點(diǎn)用廢舊玻璃為原料， 經(jīng)高溫熔劑、拉絲、絡(luò)紗、織布等工藝制得纖維布或織物。單絲直徑 1—— 20 μm，相當(dāng)于 1/5 ——1/2 頭發(fā)絲。

    玻璃纖維束由數(shù)百根甚至上千根單絲組成。玻璃纖維的應(yīng)用性能可用于電絕緣、防腐、防潮、隔熱、隔聲、減震等。如風(fēng)力機(jī)葉片，雷達(dá)罩等。

    材料組成由熱塑性樹脂或熱固性樹脂（黏結(jié)劑）+ 玻璃纖維（增強(qiáng)填料）組成，又稱玻璃鋼。

    牌號主要有：玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺（ 尼龍），F(xiàn)RPA（Fiberreinforcement polyamide）； 玻璃纖維增強(qiáng)聚碳酸酯，F(xiàn)RPC（Fiberreinforcement polycarbonate）； 長纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，LFT;玻璃氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，GMT等。

    玻璃纖維增強(qiáng)材料的優(yōu)點(diǎn)：

    ⊙抗拉強(qiáng)度高，δ ＜ 3% ；

    ⊙彈性模量高，剛性好，復(fù)合制件尺寸穩(wěn)定性好；

    ⊙不燃性，耐化學(xué)腐蝕；

    ⊙ 吸水性小；

    ⊙耐熱性好，不易燃燒；

    ⊙加工性好，可制成股、束、氈、織布；

    ⊙透明性好，可透過光線；

    ⊙價格便宜，可回收再利用。

    2.2碳纖維復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片

    為了提高風(fēng)能利用率，風(fēng)力機(jī)單機(jī)容量不斷擴(kuò)大，兆瓦級風(fēng)力機(jī)已經(jīng)成為風(fēng)電市場的主要產(chǎn)品，并對葉片提出了更高的要求。由于碳纖維比玻璃纖維具有更高的比強(qiáng)度和比剛度（碳纖維復(fù)合材料的密度比玻璃纖維的密度小），因此大量地采用了碳纖維復(fù)合材料。目前，歐洲風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量3.6 MW 機(jī)組已批量安裝，還有4.2 MW、4.5 MW 和5 MW 機(jī)組也已不斷逐步安裝運(yùn)行；美國經(jīng)成功研制出容量 7 MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)；英國正在研制容量10MW 的巨型風(fēng)力發(fā)電機(jī)；德國容量5MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其葉片長度為56m；丹麥V-90型風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量為3.0 MW，葉片長度為44 m ；西班牙Gamesa 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片長度已達(dá) 90 m，由此可見，用碳纖維復(fù)合材料制造大型葉片勢在必行。

    牌號主要有：日本東麗公司：T300、T400、T700、T800,T1000 等；美國赫克利（Hexcel）： ① AS 系列：AS4，AS4C，AS4D， AS7 等； ② IM 系列：IM2A,IM2C、IM6、IM7、IM8、IM9、IM10 等。

    3、長纖維復(fù)合材料葉片的生產(chǎn)工藝

    長纖維復(fù)合材料葉片的生產(chǎn)工藝有如下3 種：

    3.1 濕法成型（手糊成型）

    手糊成型是一種傳統(tǒng)的復(fù)合材料成型方法，主要工作是用手工完成的，不需要專門的設(shè)備，所用的工具也非常簡單，但要求有一個成型的模具。隨著復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，如綠色能源領(lǐng)域的風(fēng)力發(fā)電，就要用到大量的復(fù)合材料漿葉。而目前這種大尺寸或超大尺寸的復(fù)合材料制件，大多是用手湖成型制造的。

    手糊成型工藝過程是：先在模具上涂刷含有固化劑的樹脂混合物，再在其上鋪貼一層按要求剪栽好的纖維織物，用刷子，壓輥或刮刀壓擠織物，使其均勻侵漬并排除氣泡后，再涂刷樹脂混合物和鋪貼第二層纖維織物，反復(fù)上述過程直至達(dá)到所需厚度為止。然后，通過抽真空或施加一定壓力使制件固化（冷壓成型），有的樹脂需要加熱才能固化（熱壓成型），最后脫模得到復(fù)合材料制品。其手糊成型的工藝流程見下圖所示。

    手糊成型工藝的優(yōu)點(diǎn)：

    ⊙不需復(fù)雜的設(shè)備，只需簡單的模具，工具，投資少，成本低；

    ⊙生產(chǎn)技術(shù)易掌握，人員只需經(jīng)過短期培訓(xùn)即可進(jìn)行生產(chǎn)；

    ⊙復(fù)合材料產(chǎn)品不受尺寸，形狀的限制，如：大型游船、圓屋頂、水槽等均可；

    ⊙ 可與其它材料（如金屬、木材、泡沫等）同時復(fù)合制作成一體；

    ⊙對一些不宜運(yùn)輸?shù)拇笮椭破罚ㄈ绱蠊蓿笮臀菝妫┙钥涩F(xiàn)場制作。

    手糊成型工藝的缺點(diǎn)：

    ⊙不能用來制造高性能產(chǎn)品，生產(chǎn)效率低、速度慢、生產(chǎn)周期長，對于批量大的產(chǎn)品不太適合；

    ⊙產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定， 影響質(zhì)量的因素較多，如操作人員技能水平、制作環(huán)境、氣候變化等；

    ⊙生產(chǎn)環(huán)境差、氣味大、加工時粉塵多、勞保非常重要。

    手糊成型工藝的優(yōu)點(diǎn)是其它工藝方法所不能替代的，其存在的缺點(diǎn)，須在操作過程中不斷克服及改進(jìn)。

    3.2 干法成型（預(yù)浸料成型）

    預(yù)浸料成型屬新新技術(shù)。纖維先制成預(yù)浸料，現(xiàn)場鋪放，加溫（或常溫）加壓固化，其生產(chǎn)效率高，現(xiàn)場工作環(huán)境好。

    3.3 真空灌注成型工藝

    真空灌注成型工藝是最新發(fā)展的葉片成型方法。它將纖維預(yù)成型體置于模腔中，然后注入樹脂，加溫加壓成型。它是目前世界上公認(rèn)的低成本制造方法，發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。

    4、結(jié)束語

    近年來，長纖維復(fù)合材料代替鋼鐵在各領(lǐng)域中（如航空、船舶、汽車、地鐵等）的采用越來越多，這主要是高的比強(qiáng)度和比剛度，抗腐蝕性，工藝簡單，設(shè)備投資低，生產(chǎn)周期短等顯著優(yōu)點(diǎn)。

    為什么長纖維復(fù)合材料會受到如此青睞？這也許要從材料科技的總體發(fā)展趨勢來理解。現(xiàn)在，單一材料包括金屬，無機(jī)非金屬和有機(jī)高分子材料，在性能上繼續(xù)實(shí)現(xiàn)重大突破的余地已經(jīng)有限，但現(xiàn)代高新技術(shù)，卻對材料提出了愈來愈高的要求，這就促使人們?nèi)パ芯块_發(fā)更新的和更高效的材料。