风电叶片——碳纤维复合材料

     近年来，国际社会为实现净零排放，应对气候变化做了诸多努力。大规模利用风能、太阳能等可再生能源已是全球共识，特别是随着发电成本的降低及节能减排需求的提升，全球风能发电行业发展迅猛。开发大型化、轻量化和低成本的风电叶片是近来的趋势，随着风电叶片长度的不断增加，碳纤维复合材料因其轻质高强、可设计性及低成本等优势，在风电领域用量逐渐攀升，成为风电行业不可替代的主体材料，保障了风电产业大规模快速发展。

     早期的风力发电机组功率容量很小，材料大多采用木质，随着大、中型风力发电机的发展，木质叶片强度不高、潮湿环境易腐蚀等缺点显露。

     金属叶片因其加工成型较为简单、价格低廉，开始大范围用于风电叶片，但是金属材料也存在腐蚀问题，这对叶片的保养和后期维护提出了挑战。

     具有优异力学性能和耐环境侵蚀性能的复合材料，成为当今大型风力发电机叶片的首选材料。风电领域应用复合材料初期，增强体一般选用价格较为低廉的玻璃纤维，基体则主要使用不饱和聚酯树脂，为满足叶片的大型化、轻质化要求，从成本方面考虑，增强体逐步开始采用碳纤维与玻璃纤维混杂的方式，基体树脂则以环氧树脂为主。

     近年来随着叶片尺寸进一步加大，对叶片强度和刚度提出更高的要求，特别是风电叶片主梁，作为承担叶片载荷的主要结构，叶片的承载能力直接取决于主梁的结构强度与刚度，叶片主梁用增强材料开始纷纷由玻璃纤维或玻碳混杂纤维转向碳纤维。

     风电叶片成型工艺已由之前的湿法手糊成型工艺过渡为目前的织物真空灌注成型工艺、预浸料固化成型工艺、拉挤碳板叠层灌注成型工艺等成型工艺。其中，维斯塔斯开发的碳纤维拉挤碳板叠层灌注工艺，直接改变了碳纤维复合材料在风电领域的传统应用方式，其通过高效的拉挤成型工艺，将碳纤维制备成单向碳纤维板材，之后将拉挤碳板叠层排列，灌注树脂后固化成型为风电叶片主梁。

     维斯塔斯基于其风电叶片专利技术，将风电叶片主梁拆解为高效、低成本、高质量的拉挤碳板等标准件，然后把标准件一次组装整体成型。维斯塔斯通过拉挤工艺，大幅提高了碳纤维体积含量，减轻了主体承载部分的质量，提高了主梁结构强度与刚度，促进了碳纤维的大批量应用。

     通过比较了玻璃纤维厢式主梁、碳纤维预浸料主梁和拉挤碳板主梁三种工艺的叶片减重及成本情况。拉挤碳板主梁工艺较预浸料碳纤维主梁工艺，成本可降低２５％，且拉挤成型具有更高的生产效率及更好的精细控制。

     结果表明，玻璃纤维拉挤板拉伸模量比灌注玻璃纤维提高１５％，压缩强度提升４７％；碳纤维拉挤板材的拉伸模量比灌注碳纤维提升了２５％，压缩强度提升了４２％。从纤维增强复合材料发展来看，拉挤成型技术的应用已成为未来风电叶片发展的重要趋势。风能在过去几十年中经历了巨大的增长，目前在全球碳达峰碳中和背景下，风电作为清洁能源的代表，必将迎来更大发展，对碳纤维复合材料的需求也将进一步提升。

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