碳纖維風電葉片存在的缺陷及解決方法

　　隨著葉片長度的增加，對增強材料的強度和剛度等性能提出了新的要求，玻璃纖維在大型復合材料葉片制造中逐漸顯現出性能方面的不足。為了保證在極端風載下葉尖不碰塔架，葉片必須具有足夠的剛度。減輕葉片的重量，又要滿足強度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維增強。盡管如此，碳纖維在應用中也存在諸多的問題和缺陷。

　　碳纖維應用的缺陷

　?。?）碳纖維是一種昂貴纖維材料，在碳纖維應用過程中，價格是主要障礙，另外，性價比影響了它在風力發(fā)電上的大范圍應用。必須當葉片超過一定尺寸后，因為材料用量下降，才能比玻纖葉片便宜。目前采用碳纖維和玻璃纖維共混結構是一種比較好的辦法，而且還綜合了兩種材料的性能。另外一種方法是采用從瀝青制造的成本較低的碳纖維，這種碳纖維的價格可以降到5美元／磅的心理價位。

　?。?）CFRP比GFRP更具脆性，一般被認為更趨于疲勞，但是研究表明，只要注意生產質量的控制以及材料和結構的幾何條件，就可足以保證長期的耐疲勞。

　?。?）直徑較小的碳纖維表面積較大，復合材料成型加工浸潤比較困難。由于碳纖維叫、片一般采川環(huán)氧樹脂制造，要通過降低環(huán)氧樹脂制造的熟度而不降低它的力學性能是比較困難的，這也是一些廠家采用預浸料工藝的原因。此外碳纖維復合材料的性能受工藝眼影響敏感（如鋪層方向），對工藝要求較高。

　?。?）碳纖維復合材料透明性差，難以進行內部檢查。

　　但碳纖維在大型葉片中的應用已成為一種不可改變的趨勢。目前，全球各大葉片制造商正在從原材料、工藝技術、質量控制等各方面進行深入研究，以求降低成本，使碳纖維能在風力發(fā)電上得到更多的應用?？赏ㄟ^如下的途徑來促進碳纖維在風力發(fā)電中的應用

　　解決途徑風電材料設備

　　1）葉片尺寸越大，相對成本越低。因此對于3MW（40M）以上，尤其是5MW以上的產品。目前大規(guī)模安裝的2.5－3.5MW機組采用了輕質、高性能的玻璃纖維葉片，設計可靠，市場競爭力強，下一代5－10MW風力機的設計將更多的采用碳纖維。

　　2）采用特殊的織物混編技術。根據葉片結構要求，把碳纖維鋪設在剛度和強度要求最高的方向，達到結構的最優(yōu)化設計。如TPI公司采用碳纖維織物為800G三軸向織物（TRIAXIALFABRIC），由一層500G0°T－600碳纖維夾在兩層150G成土45°的玻纖織物內。對于原型葉片中，碳纖維成20°，玻纖層的三軸向織物為土65°AND－25°，這種方向的鋪層可充分地控制剪切負載。旋轉織物意味著織物邊沿和葉片方向成20°角，逐步地引入旋轉耦合部件（THETWIST－COUPLINGCOMPONENT）。

　　3）采用大絲束碳纖維。碳纖生產成本高，特別是高性能的碳纖維生產成本生高，而葉片生產中，采用大絲束碳纖維可達到降低生產成本的目的。如一種新型丙烯酸碳纖維（美國專利US6103211申請人TORAYINDUSTRIES（JP））該發(fā)明的目的在于提供一種高強度的碳纖維，所述的碳纖維主要包括大量的滿足下列關系式的細纖維SIGMA》／＝11。L～0.75D，其中的SIGMA指碳纖維抗張強度，D指細纖維的平均直徑。這種碳纖維適用于風力機葉片材料等與能源相關的設備，或者作為道路、大橋的加強結構層。

　　4）采用新型成型加工技術，如VARTM和LIGHT－RTM技術。

　　在目前的生產中，預浸料和真空輔助樹脂傳遞模塑工藝已成為兩種最常用替代濕法鋪層技術；對于40M以上葉片，大多數制造商采用VARTM技術。但VESTAS和GAMESA仍使用預浸料工藝。技術關鍵是控制樹脂粘度、流動性、注入孔設計和減少材料孔隙率。

　　在大型葉片制造中，由于碳纖維的使用，聚酯樹脂已被環(huán)氧樹脂來替代；利用天然纖維－熱塑性樹脂制造的“綠色葉片”近年來也倍受重視，如愛爾蘭的GNTH公司負責制造12.6米長的熱塑性復合材料葉片，MITSUBISHI（三菱）公司負責在風力發(fā)電機上進行“綠色葉片的試驗”。如果試驗成功后，他們將繼續(xù)研究開發(fā)30米以上的熱塑性復合材料標準葉片。