风电叶片材料的选择与评价（图）-北极星风力发电网

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摘要：本文主要介绍风力机复合材料叶片用基体材料、增强材料、胶粘剂和芯材的选材要求和评定方法，为现有材料的替代和新型材料的选择，寻求综合性能优异的材料提供参考，以满足叶片低成本、轻量化、质量稳定性的需求。

1. 引言

叶片是风力发电机中最基础和关键部件，对风力机组的发电效率、运行安全起着至关重要的作用，其良好的设计、稳定的质量和优越的性能是保证风电机组正常运行的重要因素[1]。叶片在工作中要承受风载荷、砂粒冲刷、紫外线照射、盐雾腐蚀等外界因素的作用，要求叶片具有比重轻、最佳的疲劳性能和机械性能，能经受极端恶劣条件和随机负荷的考验，具有良好的耐紫外线性能、耐腐蚀性能和良好的稳定性。

叶片材料的选择是叶片设计的关键，优良的材料是风力机叶片具有优良特性的重要保证。现今国内风电行业形势严峻，市场竞争激烈，同时叶片向大型化方向发展，使得替代材料的选择和先进材料的开发显得尤为重要。国内目前尚未有特定的标准和评定方法，结合国内外叶片材料的要求及实际生产要求，主要从基体材料、增强材料、胶粘剂和芯材等几方面对叶片材料进行分析，提出选材的相关要求和方法。

2. 叶片材料体系

复合材料叶片大多采用组装方式制造，一般是先在特有的模具上分别成型叶片主梁、腹板及其他部件，然后在主模具上把两个壳体、腹板及其它部件通过结构胶粘剂胶接组装在一起，合模加压固化后制成整体叶片。目前国内以真空辅助灌注工艺为主，其主要材料为增强材料、基体材料、芯材和胶粘剂。

2.1 增强材料

增强材料主要起着承载载荷的作用，包括E- 玻璃纤维、S- 玻璃纤维、M- 玻璃纤维、碳纤维以及超高分子量聚乙烯纤维、玄武岩纤维等新型纤维。

E- 玻璃纤维因其成本低、适用性强的特点得到大量使用，是目前叶片主流增强材料，与许多树脂、成型工艺匹配性较佳，目前具有单轴向、双轴向、三轴向、四轴向甚至三维立体结构等许多编织形式，以满足不同的需要，使灵活的结构设计得到更好的体现。

但是，E- 玻璃纤维的密度较大，大型叶片的开发对叶片的重量和强度提出新的要求，完全依靠传统的E- 玻璃纤维已不能满足叶片发展的需求，新型的玻璃纤维和碳纤维开始应用到叶片中。高模量玻璃纤维具有良好的强度和抗疲劳性能，提高叶片的抗风能力，增加叶片寿命，减轻叶片重量。碳纤维复合材料叶片是叶片发展的新趋势，现已有叶片制造商利用碳纤维制造叶片，多以玻/ 碳混杂为主，但其价格过于昂贵，目前尚未得到广泛应用。

2.1.1 性能要求。选择任何一种纤维织物，根据实际生产工艺和叶片设计需要，要从以下几个方面考虑，主要包括力学性能和工艺性能：

(1)外观质量。纤维织物无断丝、毛丝、杂质、缺丝和丝束排列不均匀等缺陷。

(2)铺覆性。在叶片曲面上铺放纤维织物，纤维织物在无褶皱、不断裂、不撕裂，纤维无波折、扭结或起伏的情况下，与模具贴合紧密，能够制成与产品相同的形状。

(3)浸润性。

(4)叶片根端模拟试验。根端是叶片结构最厚的位置，不管是树脂还是纤维的选择，均应该进行实际生产模拟，主要是观测其实际灌注情况，有无白丝、发热等异常现象发生。

(5)层压板力学性能。目前所用E- 玻璃纤维织物主要有单轴向布、双轴向和三轴向布。以玻璃纤维织物为例，采用真空灌注工艺制备各种纤维织物的层压板，按相应的ISO 标准进行测试，叶片一般设计性能基本要求见表1。层压板性能影响因素主要包括施加载荷相对纤维取向的偏轴角、施加载荷类型、材料局部范围内组分材料的性能、组分材料的几何结构以及产品内部缺陷。

同时，采用归一化方法分析力学性能测试数据，通过把测试值修正成相对于规定的纤维体积含量的数值，直接比较力学性能测试结果。单轴向布和0°三轴向布层压板的0°拉伸和压缩性能(强度和模量)根据下式进行归一化处理：

其中，P 为归一化值;Pm 为实测值;Vt 为理论纤维体积含量;Vm为实测纤维体积含量。

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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