【關注】

碳纖維復合材料將成風機葉片發展趨勢

我國風機葉片行業經過近三十年的發展，已經逐步形成完整的產業鏈。目前我國已經突破了風機葉片的核心技術壟斷，實現了關鍵原材料本地化，但與國外相比仍有差距。我國要大力發展風電產業，就必須大力開發自主技術，形成自己的設計制造體系。記者近日從國家能源局官網獲悉，國家能源局印發的《能源技術創新“十三五規劃”》指出，“十三五”期間，我國將開發碳纖維復合材料風機葉片新產品，將建立百套量級的碳纖維復合材料風機葉片。

風機葉片材料中碳纖維優勢凸顯

風機葉片是將風能轉化為機械能的重要部件之一。業內專家認為，風機葉片材料的強度和剛度是決定風力發電機組性能優劣的關鍵。風機葉片材料在經歷了木材、布蒙皮、金屬蒙皮以及鋁合金后，玻璃鋼復合材料被普遍使用。各國研制大功率風電機組最需要解決的問題是增大風輪直徑捕獲能量，因而，對風機葉片材料的要求也越來越高。

彭博新能源財經(BNEF)去年發布的報告 《陸上風電葉片制造與供應鏈分析》指出，全球風機葉片長度未來將有進一步增加的趨勢。由于風機大型化趨勢愈發明顯，大型風機葉片被認為是衡量企業技術實力的主要標志。隨著葉片長度的增加，對葉片材料的性能提出了新的要求，玻璃鋼復合材料逐漸顯現出強度和剛度等方面的不足。風力發電葉片被普遍認為是碳纖維的主要增長市場，使用輕而強、剛而硬的高性能碳纖維復合材料，可以避免葉片在風載作用下發生大變形甚至撞擊風車支柱。

國外專家認為，玻璃纖維復合材料性能已經趨于極限，在發展更大功率風電機組和更長轉子葉片時，為了既進一步減少葉片質量，又同時滿足強度與剛度要求，采用性能更好的碳纖維復合材料勢在必行。

各國逐漸重視碳纖維材料的應用

風機葉片是風能供應鏈中最具價值的一個環節，國外許多廠家都將碳纖維復合材料用于葉片制造中。

以丹麥和德國為例，這兩個國家早在上世紀70年代開始用現代技術研發風電機組，已經積累了豐富經驗，形成了非常成熟的技術。丹麥LMGlassfiber“未來”葉片家族中61.5米、5兆瓦風機的葉片在梁和端部都選用了碳纖維。德國葉片制造商NordexRotor制造的56米，5兆瓦風機葉片的整個梁結構都采用了碳纖維，他們認為葉片跨越一定尺寸后，碳纖維葉片的制造成本并不比玻璃纖維的成本高。

目前，全球各大葉片制造商正在進行多方面深入研究，降低葉片制造成本，使碳纖維在風力發電上得到廣泛應用。去年，總部位于荷蘭的風機葉片制造商———艾爾姆風電集團公司制造了世界上最大的風機葉片———LM88.4P。它將用于世界上最大的風力渦輪機，其高度達到180米，當風力渦輪機建造完成，可制造8兆瓦能量，足以對10000個家庭提供電能。據悉，傳統葉片的鋁制設計易受雨水侵蝕，艾爾姆公司的工程團隊選用了一種新研制的材料，研發出了一種擁有五倍耐久力的涂層。艾爾姆公司的工程副總裁RoelSchuring認為，因為使用最為優良的組合材料，憑借目前的葉片，公司擁有著離岸產業中最具競爭力的產品。 歐美等發達國家對風機葉片表現出了極大的興趣并進行了一系列相關技術研發和探索。根據清潔能源技術研究機構NavigantResearch對22家風機制造商和18家獨立風機葉片制造商的調研分析發現，企業對風機葉片的關注在不斷提升。

NavigantResearch日前發布的報告稱，去年，全球風機葉片市場收益預計將達到66億美元。未來十年，全球風機葉片累計市場收益有望超過724億美元，其中，亞太地區將是最大的區域市場，累計收益將達到308億美元。

“十三五”期間我國將重點開展應用研究

風機重量的減少和硬度的增加，有助于葉片產生更多的發電驅動力。隨著我國風電裝機容量的增長速度不斷加快，碳纖維復合材料風機葉片制成的容量風機也將成為發展趨勢。有報告預計，未來碳纖維市場將增長更快，亞太地區占市場的最大份額。特別是發展中國家，例如印度和中國，風機裝機容量最大風電葉片分析，并且在一定時期內將以最高的年復合增長率持續增長。

有觀點認為，中國國內碳纖維復合材料在風機葉片上的應用還遠落后于世界進程，主要原因是缺乏自主設計的知識產權。

國家能源局印發的《能源技術創新“十三五規劃”》指出，我國將開展大尺寸、大厚度碳纖維復合材料主承力件成型技術工程應用研究、碳纖維復合材料風機葉片熱載荷與力學載荷綜合作用研究、碳纖維復合材料風機葉片結構優化設計。此前，國家發展改革委和國家能源局下發的 《能源技術革命創新行動計劃(2016~2030年)》也明確指出，未來將重點研究葉片碳-玻材料混雜及鋪層優化設計技術。

去年11月，國家能源局發布的《風電發展“十三五”規劃》提出，到2020年底，我國風電累計并網裝機容量確保達到2.1億千瓦以上。未來我國將全面開展中東部，南方地區分散風能資源的開發，推進風電產業持續健康發展。目前二手吊車，我國在沿海及內陸地區陸續開始裝備大量風機，現有風機塔筒也高度不斷提升，低溫環境下的風機葉片結冰成為必須考慮的問題。由于風機葉片在冬季極易結冰吊車，影響動力平衡，而風機葉片轉速較高，離心力較大，在嚴重失衡情況下，葉片容易發生斷裂。“十三五”期間，我國還將著重研究碳纖維復合材料抗冰風機葉片系統優化設計，建立碳纖維復合材料風機葉片制造標準化平臺。

【技術】

風電機組葉片碳纖維預浸料 主梁生產工藝及質量控制

隨著葉片的尺寸越來越大，完全用玻璃纖維制造的葉片也將變得越來越重。如果采用玻璃纖維和碳纖維的混合結構，比如用碳纖維來制作主梁等主要承載部件，則可以大大降低葉片的重量。初步推算，對于70m 長的葉片，如果采用碳纖維主梁設計，葉片重量相比完全的玻纖設計能降低30% 左右。隨著葉片的尺寸越來越大，使用玻纖和碳纖混合結構的葉片性價比也能逐漸接近純玻纖葉片，甚至更優。碳纖維真空灌注工藝因為材料的固有特性，在生產過程中對產品質量的辨別和控制難以把握，所帶來的風險也比采用碳纖維預浸料大得多。因此，采用碳纖維預浸料制作主梁相對于真空灌注工藝質量更加穩定可靠，風險系數更。

碳纖維預浸料儲存及溫度控制

一般情況下，碳纖維預浸料是一種低溫固化預浸料，遵循常規的預浸料固化機理。在不同溫度條件下需要不同的固化工藝條件，溫度越高反應固化時間越短。因此碳纖維預浸料在運輸、倉儲等環節都需要冷藏，冷藏溫度越低保質期越長。運輸車輛應裝備有溫濕度記錄儀，在工廠接貨時應同時接收記錄儀器并對運輸過程的條件進行檢查確認，同時對剩余保質期做出評估，以便制定后續的存儲和使用計劃。如果企業忽視了接貨時的確認工作，這將是一個巨大的風險隱患，因為碳纖維可能在運輸途中已經大大折損了壽命期限，并可能在使用前報廢，從而給企業帶來巨大的經濟損失。

碳纖維預浸料的使用解凍

碳纖維預浸料在使用之前應充分解凍，激活預浸料的粘性以達到一定的工藝性能。一般對解凍的溫度時間都有明確的要求和控制，溫度太高可能折損碳纖維的使用壽命或直接導致產品固化進而喪失使用功能，溫度太低則遲遲達不到使用的要求性能。應打開產品外包箱，將碳纖維預浸料完全暴露在加熱環境中，整個過程定時測量產品表面溫度，最終要將材料的溫度提升至室溫或工藝要求的適合溫度。只有解凍完成的碳纖維預浸料才會具備一定的粘度，而合適的粘度是碳纖維預浸料鋪設性能的關鍵影響因素。

鋪設工裝的設計及運用

碳纖維預浸料主梁的鋪設必須借助工裝，以確保鋪設質量的均勻性和穩定性。主梁的型面取決于葉片的型面，其往往是扭角變化的，因此鋪設工裝的軌道設計應保證工裝的行走路線與大梁的扭角變化相匹配，以確保每一層的預浸料都能夠以對稱中心重合的方式堆疊在模具上。否則，鋪設過程中預浸料會逐步偏離鋪設區域，造成不可接受的鋪設位置偏差。

碳纖維預浸料的鋪設

鋪設前先檢查環境和模具的溫度，以確保達到工藝要求的參數。首先模具表面需要鋪設一層脫模布，脫模布必須為一塊整布，不能有任何搭接或對接，順著模具的型面將脫模布完全撫平、貼實在模具表面，可以采用適量的噴膠固定。注意檢查確保脫模布一定貼實模具表面，無褶皺。脫模布是基礎，但因為其是輔材往往不受重視，一旦基礎沒打好，可能會造成碳纖維預浸料的褶皺，帶來無法挽回的損失。

碳纖維預浸料一般隨著導氣紗一同鋪設，以增強在固化階段的導氣性能，對減少產品的孔隙率大有幫助。但是第一層預浸料一般不需要鋪設導氣紗，以保證其與脫模布的粘接牢固，確保在后續的預浸料鋪設過程中不會產生移動。預浸料因為生產的原因，即便是進口的產品也可能存在干纖維的情況。由于碳纖維是黑色的，所以有沒有浸漬樹脂顏色并無明顯區別，因為光線反射的不同仔細檢查的話還是能發現的。所以，需要對鋪設完的每一層預浸料都要全面、仔細檢查一遍，并對任何干纖維的地方進行檢查記錄。對于這樣的情況，應及時與供應商取得聯系，快速決定是更換還是繼續使用，因為小面積的干纖維在后期加熱樹脂產生流動性時可以被浸潤。對于面積的限定需要前期的相關試驗并結合供應商的相關數據提前給出，以免在發生問題時不知所措，也提醒我們在采購的技術條款中應注意此類問題的界定。

對于每層碳纖維預浸料的起始位置，應使用美工刀裁切并一氣呵成，確保裁剪的連貫性和整齊性。這時候不能用剪刀裁剪，因為剪刀裁剪的過程中會產生數次停頓，每一次頓會產生一個小缺口，每一個小缺口位置都可能會成為一個應力集中點，對產品的性能帶來不利的影響。

鋪設過程中需要記錄、監控每一層的預浸料溫度，確保其滿足工藝參數要求。其實對溫度的嚴苛控制目的是保證預浸料具備合適的鋪設黏度風電葉片分析，這在前面的內容中也有提到。一旦哪一層預浸料黏度出現異常，可能會導致其與上一層之間的粘合度下降，也就是說兩層之間可能存在不粘合的現象，即產生了“懸空”。隨著后續鋪層的增加，“懸空”的這層預浸料在鋪設工裝壓輥的反復作用下可能會產生褶皺。隨著后續鋪層的增加，皺褶被逐漸放大，直至明顯到被視力檢查發現，但這時往往為時已晚，造成了返工和材料的浪費。因此每層預浸料鋪設之后的貼覆情況也是作為過程質量控制必不可少的一項。

按照鋪層計劃鋪設完所有預浸料之后，就可以建立真空系統，首先是鋪設脫模布覆蓋整個預浸料，脫模布將為產品提供粗糙的適合粘接的工作面。接著鋪設隔離膜，以控制樹脂析出量并保證透氣氈等輔材能輕易從產品表面移除。之后，整個表面鋪設透氣氈，真空袋。透氣氈連接真空系統，將固化過程中系統內的氣泡帶離產品。貼著真空袋要布置熱電偶，熱電偶用于固化過程的實時溫度測量，并根據實時溫度對固化制度作出修訂調整。最后使用保溫層覆蓋整個模具表面，為固化提供良好、均勻的溫度保證。由于大多的模具都是電加熱系統，模具內置了用于反饋溫度信號的熱電偶，如果模具某個位置的熱電偶區域覆蓋不好，或沒有覆蓋，將會導致這個位置熱電偶持續給加熱控制系統反饋持續加熱的信號，造成其他位置的過度加熱，對產品和模具都會帶來一定的傷害。

還有一點也要引起注意，有人認為在鋪設真空系統的過程中應在預浸料的兩邊放置擋邊以保證產品邊緣的整齊和形狀。但由于擋邊的高度很難控制，這也將會對產品的質量產生很大的影響。如果擋邊高度稍微低于主梁的厚度，那么基本上不會影響邊緣的形狀。如果擋邊高出主梁厚度，那么固化后主梁邊緣將會產生向上的卷邊現象，這將帶來嚴重的應力集中問題。其實由于碳纖維預浸料采用工裝鋪設，每一層鋪設都有非常精確的重合性，即使不用任何擋邊，固化后產品的邊緣也可以保持非常平整。

碳纖維主梁預浸料固化

需要根據碳纖維預浸料的特點和說明，設定適宜的固化制度。每種預浸料的固化溫度和持續時間即固化曲線可能不盡相同，但是遵循著同樣的固化原理，基本上分為三大階段。

第一階段是升溫至樹脂融流狀態，然后維持一定的時間。這個溫度條件下不足以引起產品的快速固化，但是樹脂呈現融流的狀態，隨著樹脂的流動，整個產品的含膠量趨于均勻化，并且小的干纖維在這一過程也得到充分的浸潤。同樣，隨著樹脂的流動，在導氣紗的作用下預浸料中的氣體充分被帶動并導出，最終被真空系統抽走，所以這一階段也是產品孔隙率保證的重要階段。所以第一階段的溫度設定和持續時間非常重，除了從供應商獲得的技術支持外，使用者也非常有必要進行相應的樣機試制，充分掌握工藝參數的設計。第二階段是從第一階段升溫至固化溫度，并在這一階段內維持一定的時間。預浸料主要在這一時間段內發生固化反應，完成放熱峰。因此這一階段的溫度設置首先應能激起化學反應，另外又不會導致樹脂放熱峰溫度太高。過高的放熱峰導致產品的內應力大，收縮大甚至造成產品褶皺，也有損模具的壽命。第三階段是從第二階段升溫至后固化溫，并在后固化溫度下維持一定的時間。這一階段樹脂充分地完成交聯反應形成致密的網狀結構。用于反應聚合程度的玻璃化轉變溫度在這一階段形成并達到要求。當然這一階段的后固化必須要在放熱峰過后并回落到后固化溫度附近啟動。

前文也有提到，這一過程需要充分地保證產品的覆蓋。環境溫度應嚴格地保持均勻。如果在模具表面有局部的氣流溫度。這就會導致該區域的產品溫度要高于其他區，造成整個產品溫度的不均勻性，從而沖擊整個固化過程的溫度曲線設定。碳纖維預浸料主梁的質量檢驗

對于碳纖維預浸料主梁，除了常規的尺寸、外觀、玻璃鋼轉化溫度的檢驗外，還需要進行超聲波無損檢測以檢驗內部是否存在分層、孔隙等缺陷。一般孔隙率要求控制在1%以內，超過2% 的孔隙率就將對產品性能造成一定的影響，甚至導致產品報廢。超聲波檢測需要耦合劑，一般用水來減弱聲波在空氣中的衰減，這樣可保證聲波與材料達到最大程度的耦合。但是由于受到噪音污染、測量的方法、缺陷識別判定能力等多方面影響，往往測量結果本身的偏差可能也比較大。因此，用掃描電鏡對試制品的橫切面進行觀測，計算孔隙率也是一種非常有效而且準確的補充手段。

結語

本文從原材料管理、工裝設備、模具、生產工藝過程等多個方面分析了碳纖維預浸料主梁的生產工藝特點及可能存在的質量風險，并針對這些風險提出了相應的質量控制方案和建議。同時，也對碳纖維預浸料主梁的檢測項目和手段做了相關介紹。返回搜狐，查看更多