风电叶片用低成本碳纤维复合材料
本公众号前期文章中，介绍了美国能源部桑地亚国家实验室的能量效率与可再生能源办公室承担的风电叶片用碳纤维复合材料优化设计项目，参见《风电叶片用碳纤维复合材料优化设计》。
美国桑地亚国家实验室通过采用美国能源部橡树岭国家实验室研发的纺织品级低成本碳纤维为原料与商业化的Zoltek卓尔泰克PX35碳纤维综合性能和成本进行了对比。
在本文中则主要介绍了美国国家可再生能源实验室利用低成本碳纤维为原料加工9m长风电叶片研究进展，本项目获得英国复合材料学会支持。
背景介绍
近年来，随着风力涡轮机叶片的长度不断增加，其最大长度已经超过100多米，因此在叶片设计时考虑最重要因素之一为刚度问题。
在实际应用中，风电叶片纵向和边缘弯曲载荷会在叶片中造成大部分损伤，因此需要材料具备较高的纵向拉伸，压缩强度和模量以及较高的疲劳强度，以最大程度地减少渐进式损伤。
由于碳纤维具有高比强度、高比刚度，因此与传统风电叶片材料玻璃纤维相比，具有显著的性能优势，而且碳纤维复合材料优异耐疲劳特性也是其获得风电领域关注的重要因素之一。
目前影响碳纤维在风电领域应用的关键是碳纤维相对高昂的成本，因此经济性成为不得不谈的话题，对于风电领域用碳纤维发展趋势为大丝束和纺织品级碳纤维，两者特点均是低成本。
成型加工
目前大多数风电叶片制造商都使用真空辅助树脂传递模塑（VARTM），但该工艺可能会导致预先放置碳纤维发生屈曲，从而大幅降低复合材料的性能。而通过使用拉挤成型工艺可解决相应问题。
而在原料选择上使用纺织品级PAN纤维（图1），在ORNL实验室（图2）经过碳化处理制备得到低成本碳纤维（图3），相比较传统碳纤维成本可下降50%左右。
图1 纺织品级PAN纤维及其预氧化处理
图2 美国橡树岭国家实验室ORNL氧碳化线
图3 低成本碳纤维表观特征
利用纺织品级PAN纤维为原料开发出低成本碳纤维性能与DowAksa A42性能对比如下表所示，尽管拉伸强度仅仅2750MPa，但是其模量达到256GPa，基本满足材料刚度要求。
表1 低成本碳纤维力学性能指标
碳纤维/聚氨酯拉挤成型工艺示意图如下图4所示，最终成型产品如图5所示。
图4 拉挤成型工艺示意图
图5 拉挤成型工艺后产品图
最终成型产品如图6所示。
图6 最终成型产品
后续工作计划
1：开发碳纤维拉挤成型工艺成本和材料属性数据（2019年12月）
2：进一步对低成本碳纤维、树脂体系和添加剂优化（2020年6月）
4：开发长度≥10 m、宽度≥50 mm、厚度≥1.5 mm拉挤工艺样品，其中碳纤维体积含量≥45％，包括纺织品级低成本纤维含量≥20％（2019年12月）
5：开发长度≥100 m、宽度≥50 mm、厚度≥3 mm样品，其中碳纤维体积含量≥55 ％，其中纺织品级低成本碳纤维≥40 ％（2020年6月）
6：形成商业用低成本风电叶片行业通用方法（2020年11月）。