吴红焕陈阳刘鲜红
天津东汽风电叶片工程有限公司天津300480
摘要：本文概述了碳纤维的生产、市场状况和目前在叶片中的应用情况，并对比了碳纤维、玻璃纤维和钢结构进行了性能对比，简述了碳纤维在风电叶片行业中应用的优缺点，并对日后叶片使用碳纤维的发展趋势进行了分析。
关键词：风电叶片；碳纤维；玻璃纤维
前言
目前世界风力发电进一步向大功率、长叶片方向发展，风力发电单位成本随单机功率的增大而降低，而单机功率随着叶片长度增加以二次方量级增加，因此叶片的长度也在不断增长，这给碳纤维增强环氧树脂复合材料带来发挥其优势的使用空间[1]。本文主要从碳纤维生产工艺和市场介绍、碳纤维与玻璃纤维的性能对比、碳纤维相对玻璃纤维的优势以及碳纤维目前存在的问题等方面进行知识汇总介绍，以供各位读者参考。
1碳纤维生产、市场和在叶片中的应用介绍
碳纤维是由有机母体纤维（例如粘胶丝、聚丙烯腈PAN或沥青）在1000～3000℃的高温惰性气体下进行分解，除去碳以外的所有元素后经耐火、碳化及表面处理后获得。具体流程为[2]：PAN基原丝→放丝纱架→张力控制系统→预氧化炉→低温碳化炉→高温碳化炉→表面处理系统→上浆干燥系→卷取→CF成品。产品的质量受预氧化过程和碳化工艺的影响，工艺参数主要有温度及其分布梯度、停留时间、牵伸张力以及风温、风量、风向、风速以及气体气氛等。
美国联合碳化物公司（UCC）于1959年开始最早生产粘胶基碳纤维，五六十年代是粘胶基碳纤维的鼎盛时期；1959年，日本发明了用聚丙烯腈（PAN）原丝制造碳纤维的新方法。在此基础上，英国皇家航空研究院研制出了制造高性能PAN基碳纤维的技术流程，使其发展驶入了快车道，这也是当前碳纤维工业的主流，产量占世界总产量的90%左右。1974年，美国联合碳化物公司开始了高性能中间相沥青基碳纤维Thornel-35的研制并取得成功。这样就形成了PAN基、沥青基和粘胶基碳纤维的三大原料体系。世界碳纤维的主要生产商为日本的东丽、东邦人造丝、三菱人造丝三大集团和美国的卓尔泰克（ZOLTEK）、阿克苏（AKZO）、阿尔迪拉（ALDILI）和德国的SGL公司等，其中日本三大集团占世界产能的75%[3]。
碳纤维呈黑色，坚硬，具有强度高、重量轻等优点，但是相比玻璃纤维，其质脆、难浸透，生产加工厂和叶片制造的干铺均会引起不同程度的纤维原丝损伤，因此目前风电叶片中的应用以预浸料为主，厂商尤以美国Hexcel为突出。
对于叶片制造商来说，碳纤维的预浸料质量可按照目前航空HB7772-2005的验收标准进行验收和使用。根据叶片受力情况及材料成本分析：采用百分之百的碳纤维制造叶片从成本上来说是不合算的，因此目前只是用在叶片一些关键部位或者逐步按以下顺序替代：
（1）主梁帽（SparCap）：增强叶片的刚度；
（2）根部：增强叶片根部强度，降低叶片质量；
（3）前后缘：提高刚度，并利用碳纤维的导电性进行电流传导，避免雷击对叶片造成损伤；
（4）叶片壳体：采用碳纤维片材或者混编（CF和GF）。
2碳纤维与其他材料的性能比较
碳纤维力学性能优异，比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为230~430Gpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/（g/cm3）以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/（g/cm3）左右。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大。在叶片行业中，与玻璃纤维相比，就拿目前市场上顶级的玻璃纤维厂家OCV和碳纤维厂家东邦TENAX、卓尔泰克Zoltek的材料作为定量比较，供读者参考，具体数据见表1。
表1Cf和Gf的性能对比
根据以上数据和碳纤维本身的性能，说明其在应用于风电叶片方面较多优势[4]：
（1）提高叶片刚度和降低叶片重量
碳纤维密度比玻璃纤维小约30%，强度大50%，尤其是模量高3~6倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点，荷兰戴尔弗理工大学研究表明，一个旋转直径为120m的风机叶片，由于梁的质量超过叶片总质量的一半，采用碳纤维和玻璃纤维相比，质量可减轻40%左右，叶片刚度是玻璃纤维复合材料叶片的2倍。据分析，采用碳纤维/玻璃纤维混杂增强方案，叶片可减轻20％～30％。同样是34m长的叶片，采用玻璃纤维增强聚酯树脂时质量为5800kg，采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量为5200kg，而采用碳纤维增强环氧树脂时质量只有3800kg。
（2）改善了叶片半成品表面质量
由于纤维丝束的减小，会使叶片的表面更加光滑，避免出现纤维的纹路，同时CFRP相比GFRP来说，由于冲击性能较差，容易在半成品中进行打磨修型。
（3）提高叶片抗疲劳性能
风机处在条件恶劣的工况中，并24h处于工作状态，这就使要求叶片材料必须具备绝对良好的疲劳性能。根据东邦的技术研究表明，碳纤维合成材料具有出众的抗疲劳特性，图1给出了碳纤维、钢与玻璃纤维的疲劳强度保持对比[5]。
（4）风机的输出功率更平滑更均衡，可提高风能利用率
使用碳纤维后，叶片质量的降低、表面的光滑和刚度的增加改善了叶片的空气动力学性能，减少对塔和轮轴的负载，从而使风机的输出功率更平滑更均衡，提高能量效率。同时，如果在原有设计上改用碳纤维，会使叶片更薄，外形设计更有效，叶片更细长，提高了能量的输出效率。
（5）降低风力机叶片的制造和运输成本
由于降低了叶片重量，纤维和树脂应用都减少了，叶片变得轻巧，相应的制造和运输成本都会下降。
（6）可制造低风速叶片
碳纤维的应用可以减少负载和增加叶片长度，从而制造适合于低风速地区的大直径风叶，使风能成本下降。
（7）利用导电性能减少雷击损伤率
由于碳纤维具有良好的导电性能，目前在军事上有专门通过特殊碳纤维/玻璃纤维混编在飞机的机翼和蒙皮采用，使飞机拥有吸收雷达波等功效，例如F117战斗机和B2隐身轰炸机等[6]。因此在叶片上可通过特殊的结构设计，例如表面增加屏蔽材料，达到对雷电流进行接收衰减，减少雷击对叶片造成的损伤。
（8）具有振动阻尼特性
碳纤维的振动阻尼特性可避免叶片自然频率与塔筒暂短频率间发生任何共振的可能性。
3目前存在的问题与展望
（1）碳纤维成本太高，国内采购主要依赖于进口：目前12K的约200元/kg，8K的约400-500元/kg，而原玻璃纤维17-22?m的仅有7-10元/kg；依赖进口对于叶片生产商的叶片生产和质量保障方面存在一定的隐患，由于目前国内叶片市场集中于1.5MW-2.5MW，此问题还不是很显著，但在不远的将来，会是大功率、长叶片市场的争夺，而目前我国碳纤维供应存在诸多问题：国内的生产和使用尚处于起步阶段，生产能力仅占世界高性能碳纤维总产量的0.4％左右，国内用量的90％以上靠进口；PAN原丝质量一直是制约我国碳纤维工业规模化生产的瓶颈；另外，碳纤维长期以来被视为战略物资，发达国家一直对外实行封锁；这些问题的滞后均会对我国大功率、长叶片的规模化发展带来障碍；
（2）Cf比Gf的断裂延伸率低、质脆、冲击性能极差，即韧性方面有些欠缺，在纤维生产或者叶片铺层时，如果受力或大或曲面较大时，容易折断影响材料的强度，因此从此点考虑，叶尖由于受力过程弯曲变形最大，采用纯碳纤维不太合适；
（3）碳纤维复合材料透明度较差，难以进行叶片内部缺陷的检查；
（4）碳纤维由于具有良好的导电性能，因此为避免雷击损伤，还需通过特殊的结构设计，例如表面增加屏蔽材料等方式改变与传统的玻璃纤维差异；
（5）目前叶片使用的碳纤维直径约7~8?m，而玻璃纤维一般为17-22?m，相比较，比表面积增大，会导致环氧树脂的浸润性困难，因此目前叶片行业使用的厂家还以预浸料为主，采用加压、延长时间等方式让其充分浸润。
参考文献：
[1]刘万琨、张志英：风能与风力发电技术，北京，化学工业出版社
[2]姜泽：关于生产过程中提高碳纤维产品质量的探讨高科技纤维与应用，2009年8月，第34卷第4期
[3]马振基，林育锋：复合材料在风力发电上的应用发展，高科技纤维与应用，2005年8月，第30卷第4期
[4]罗永康，李炜：碳纤维复合材料在风力发电机叶片中的应用，电网与清洁能源，2008年11月，第24卷第5期
[5]高会焕：纤维增强材料风机叶片发展概述，玻璃钢/复合材料，2009年8月，第4期
[6]崔东辉，朱绪宝：雷达吸波材料发展趋势，飞航导弹，2000年第11期