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(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展離不開充足的電能，美國(guó)能源部信息管理局發(fā)布的《國(guó)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(shí)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(guó)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(chǎng)。根據(jù)資料報(bào)道，到2020年，我國(guó)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(guó)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(zhǎng)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(jí)別，E級(jí)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(jí)玻璃纖維體積質(zhì)量較大，隨著葉片長(zhǎng)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(jí)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(jí)玻璃纖維已經(jīng)逐漸不能滿足葉片發(fā)展的需要。

　　S級(jí)玻璃纖維是另一種不同級(jí)別的玻璃纖維，模量高達(dá)85.5GPa，比E級(jí)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(jí)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(guó)AGY公司對(duì)S級(jí)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(jí)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

　　碳纖維是含碳量高于90%的無機(jī)高分子纖維，不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。碳纖維的軸向強(qiáng)度和模量高， 無蠕變，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小，耐腐蝕性好，纖維的體積質(zhì)量低，X射線透過性好。與傳統(tǒng)的玻璃纖維相比，碳纖維復(fù)合材料葉片的剛度是玻璃纖維復(fù)合材料葉片的2倍~3倍，且同樣長(zhǎng)度的碳纖維葉片比玻璃纖維葉片要輕得多。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片長(zhǎng)度的增加，碳纖維作為葉片增強(qiáng)材料更能充分發(fā)揮其輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

　　碳纖維復(fù)合材料價(jià)格取決于碳纖維價(jià)格，碳纖維復(fù)合材料雖然在性能上明顯優(yōu)于玻璃纖維復(fù)合材料，但在價(jià)格上也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于玻璃纖維復(fù)合材料，這在很大程度上限制了它的大規(guī)模應(yīng)用。為此，世界各國(guó)正致力于從原材料、工藝技術(shù)、質(zhì)量控制等方面深入研究，以期降低復(fù)合材料的成本，從而使碳纖維復(fù)合材料的價(jià)格大幅度下降。此外，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，法國(guó)Nanoledge碳納米結(jié)構(gòu)材料將引領(lǐng)復(fù)合材料領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。碳納米結(jié)構(gòu)材料具有更好的抗沖擊性、抗彎強(qiáng)度、防裂紋擴(kuò)展性和導(dǎo)電性等多種功能，給葉片材料的發(fā)展提供了新的契機(jī)。由此可見，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片大型化趨勢(shì)的推動(dòng)下，采用碳纖維復(fù)合材料葉片將有著非常廣闊的發(fā)展前景。