碳纤维的应用和个人感想_碳纤维特性及其应用

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在碳纤维应用领域中，风电叶片是个热点。当前，风能在我国得到广泛利用，风电叶片需求潜力巨大。要减轻叶片的质量，又要满足强度与刚度要求，一个有效的办法就是采用碳纤维增强。中复神鹰万吨级碳纤维一期工程投产暨中复联众2兆瓦风电叶片、吉林明阳大通风电技术1.5兆瓦系列风电机组等项目近期批量生产。其中，吉林明阳大通产品实现现场安装，样机的累计运行参数超过预期水平，并与吉林大唐、华电电力公司等单位草签了约50亿元的供货合同。

为了降低风电单位成本，风机功率不断提高，随之叶片长度也不断增加，使碳纤维在风电叶片中的应用成为必然。介绍了碳纤维在风电叶片上应用的优势和不足，以及解决的技术途径。

碳纤维材料在风力发电机叶片中的应用

当叶片长度增加时，质量的增加要快于能量的提取。因为质量的增加和风叶长度的立方成正比，而风机产生的电能和风叶长度的平方成正比。同时随着叶片长度的增加，对增强材料的强度和刚度等性能提出了新的要求玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐显现出性能方面的不足。为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架，叶片必须具有足够的刚度。减轻叶片的质量，又要满足强度与刚度要求，有效的办法是采用碳纤维增强。国外专家认为由于现有材料不能很好满足大功率风力发电装置的需求，玻璃纤维复合材料性能已经趋于极限，因此，在发展更大功率风力发电装置和更长转子叶片时，采用性能更好的碳纤维复合材料势在必行。他们认为当风力机超过3MW、叶片长度超过40m时，叶片制造时采用碳纤维已成为必要的选择。事实上，当叶片超过一定尺寸后，碳纤维叶片反而比玻璃纤维叶片便宜，因为材料用量、劳动力、运输和安装成本等都下降了。

目前国外把碳纤维用于叶片制造的厂家主 要有：

（1）丹麦LM Glafiber“未来”叶片家族中61.5 m长、5 MW风机的叶片在梁和根部都选用了碳纤维。

（2）德国叶片制造商Nordex Rotor新制造的56 m长，5 MW风机叶片的整个梁结构也采用了碳纤维，他们认为叶片超过一定尺寸后，碳纤维叶片的制作成本并不比玻璃纤维的高。

（3）Vestas Wind System 在他们制造的44 m长、V-90 3.0 MW风电机中的叶片的梁采用了碳纤维。2004 年12 月Zoltek Companies Inc.宣布与Vestaswind Systems AS公司订立长期战略合同，在前3 a提供价值8千万到1亿美元的碳纤维用于制造风机叶片；Zoltek Companies Inc在股东大会上宣布对NEGMicon的碳纤维合同将比每年150 t增加1倍。同时每年分别向Vestas和Gamesa各提供1 000 t，所用牌号为Panex33 48K。

（4）西班牙Gamesa在他们旋转直径为87 m(G87)和90 m(G90)2 MW的风机的叶片中采用了碳纤维／环氧树脂预浸料。

（5）NEG Micon在40 m的叶片中采用了碳纤维增强环氧树脂。

（6）德国Enercon GmbH在他们的大型叶片的制造中也使用了碳纤维。（7）华盛顿的Kirkland公司和TPI Composites公司合作，发展碳纤维风机叶片，以求得最大的能量获得，同时减轻风机的负载。方案通过对30~35 m长叶片的设计，制造和测试证明先进的碳纤维混编设计叶片的商业化的可行性。

碳纤维在风机叶片中应用的优势

碳纤维的应用优势：

(1)提高叶片刚度，减轻叶片重量

碳纤维的密度比玻璃纤维小约30%，强度大40%，尤其是模量高3至8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120米的风机的叶片，由于梁的质量超过叶片总质量的一半，梁结构采用碳纤维，和采用全玻纤的相比，重量可减轻40%左右;碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃纤维复合材料叶片的两倍。据分析，采用碳/玻混杂增强方案，叶片可减重20%～30%。Vesta Wind System公司的V90 3 Mw发电机的叶片长44m，采用碳纤维代替玻璃纤维的构件，叶片质量与该公司V80 2 MW发电机且为39米长的叶片质量相同。同样是34m长的叶片，采用玻璃纤维增强聚脂树脂时质量5800kg，采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量5200kg，而采用碳纤维增强环氧树脂时质量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纤维所制得的风机叶片质量比玻璃纤维的轻约32%，而且成本下降约16%。

(2)提高叶片抗疲劳性能

风机总是处在条件恶劣的环境中，并且24小时的处于工作状态。这就使材料易于受到损害。相关研究表明，碳纤维合成材料具有出众的抗疲劳特性，当与树脂材料混合时，则成为了风力机适应恶劣气候条件的最佳材料之一。

(3)使风机的输出功率更平滑更均衡，提高风能利用效率 使用碳纤维后，叶片重量的降低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和更均衡，提高能量效率。同时，碳纤维叶片更薄，外形设计更有效，叶片更细长，也提高了能量的输出效率。

(4)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。

(5)可制造自适应叶片

叶片装在发电机的轮轮上，叶片的角度可调。目前主动型调节风机(active utility-size wind turhines)的设计风速为13 to15m/sec(29 to 33mph)，当风速超过时，则调节风叶斜度来分散超过的风力，防止对风机的损害。斜度控制系统对逐步改变的风速是有效的。但对狂风的反应太慢了，自适应的各向异性叶片可帮助斜度控用系统(thepitch control system)，在突然的、瞬间的和局部的风速改变时保持电流的稳定。自适应叶片充分利用了纤维增强材料的特性，能产生非对称性和各向异性的材料，采用弯曲/扭曲叶片设计，使叶片在强风中旋转时可减少瞬时负载。美国Sandia National Laboratories致力于自适应叶片(“adzptive”blade)研究，使1.5W风能从每KWh 5美分降到4.9分，价格可和燃料发电相比。

(6)利用导电性能避免雷击利用碳纤维的导电性能，通过特殊的结构设计，可有效地避免雷击对叶片造成的损伤。

(7)降低风力机叶片的制造和运输成本

由于减少了材料的应用，所以纤维和树脂的应用都减少了，叶片变得轻巧，制造和运输成本都会下降。可缩小工厂的规模和运输设备。

(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暂短频率间发生任何共振的可能性。

感想

在这次关于碳纤维的课题中，我们每人都负责一块内容，从碳纤维的历史背景到合成工艺，又从发展应用到热点的讨论和发展前景。每个人通过在网上查阅资料，最后资料整合，做成ppt，这个过程，我们付出了努力，从中也颇有收获。这是一个自我探究与发现的过程，对于未知领域的认识与探讨，锻炼了我们的学习能力，探究能力和合作能力。在这次课题里，我负责的是关于碳纤维的热点，其实碳纤维的应用已经很广泛了，我在查阅了很多资料后，发现碳纤维可以用于航空航天、交通、体育与休闲用品、医疗、机械、纺织等很多的领域，然而，最有价值的我认为是应用于风力发电，将碳纤维的工艺用于制造风车叶片，是具有重大意义的，它对于人类能源的利用，人类未来的发展都影响很大，目前对于这一方面的知识也是很尖端的。

我整理的关于目前碳纤维的热点，能源一直是人类发展的重要前提，目前世界能源紧缺，对于能源的充分利用具有重大的意义。在中国幅员辽阔，海岸线长，风力资源十分丰富，所以风力发电对于能源的利用是十分重要的，风车一直以来都在改进，以获得更大的效率，风车叶片利用碳纤维加工，是很有远见性的，将碳纤维运用于风力发电，有很大的优势，(1)提高叶片刚度，减轻叶片质量(2)提高叶片抗疲劳性能（3）使风机的输出功率更平滑更均衡,提高风能利用效率（4）可制造低风速叶片（5）可制造自适应叶片（6）利用导电性能避免雷击（7）降低风力机叶片的制造和运输成本（8）碳纤维的风车叶片成为目前的热点。

具有振动阻尼特性。在这些优势下，