风电叶片用单向复合材料的技术发展研究分析
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风电叶片用单向复合材料的技术发展研究分析
主要内容
单向复合材料对风电叶片的重要性 以提高模量为重心的发展方向 国内正在进行中的材料技术升级
单向复合材料对风电叶片的重要性
单向复合材料是风电叶片主承力结构的重要组成
梁帽
梁帽
梁帽
设计要求： 刚性； 压缩强度； 横向性能； 疲劳；
常用工艺： 真空导入成型或预浸料成型；
2、S级玻璃纤维未来有可能在叶片上得到应用
泰山玻纤 S -1 HMTM玻璃特性
ASTM
玻璃纤维纱特性 密度
抗拉强度 比抗拉强度
拉伸模量 比拉伸模量
D2343 D2343
单位
g/cc MPa 103m GPa 103m
S-1 HMTM玻璃
2.55 3090 121
90 3.53
单轴向织物层压特性
抗拉强度 D3039 MPa 拉伸模量 D3039 GPa 压缩强度 D3410 MPa 压缩模量 D3410 GPa 抗弯强度 D790 MPa
缺点：模量提高幅度 有限，并增加疲劳风 险。
使用拉挤工艺
单向复合材料模量提升 5%-15%。
优点：纤维分布均匀， 抗压能力高。
缺点：工艺大调整，结 构需要重新设计。
如何兼顾工艺稳定性和材料的疲劳性能要求是技术难点。
国内正在进行中的材料技术升级
1、高模量玻纤的国产化基本完成
纤维原纱粗纱浸胶纱的拉伸力学性能 真空导入工艺制备的等厚层合板的0度拉伸性能
汽车工业发展
拉挤工 艺优势
可连续生产，占 用空间小
纤维方向一致性高， 缺陷少
6、处于尝试应用阶段的拉挤成型技术
拉挤材料在风电叶片中的应用
7、开发中的可用于提高纤维含量的低粘度树脂
在沿纤维方向的拉伸性能上，采用PU的单向复合材料层合板的 模量比EP提高了6.8%，强度基本相当；
1230 51
850 51
1390
典型E玻璃
2.58 2100 81 73 2.83
775 40 600 41 1200
3、真空袋压碳纤维预浸料成型主梁帽已经形成批量
预浸料技术在中材叶片得到应用
在45.3、56和77m叶片中得到应用 掌握纯工装辅助人工铺放技术 使用碳纤维预浸料制作叶片，需要增加铺放工装和人员，对铺层要求比较严格
常用原材料： 单轴向织物或预浸料； 树脂；
风电叶片大型化提高了对结构减重的技术需求
重量增加带来的风险
重量与长度的三次方成正比 功率与长度的二次方成正比
固有频率与叶片旋转频率接近，易发生共振
主梁帽层间失效风险增加
对叶根抗疲劳能力提出更高的要求
Growth in the size of the rotor diameter and power capacity of wind turbines since 1980. (Adapted from European Wind Energy Association.1)
方向1 使用高模量纤维
主要是高模量玻纤与碳纤维，鲜见其他种类的纤维。
高模量玻纤
由于价格低廉，供应充足，高模量玻纤（比普通E玻纤模量提升10%15%）在大型叶片中得到越来越多的应用。
单向复合材料模量提 升8-15%。
2009-2015年中国风电叶片用高模玻纤的用量统计
优点：不改变现有生 产工艺，成本增加较 少。
RTM工艺制备的等厚层合板的0度拉伸性能
对于常见的四种高模玻纤单向织物，其中D为泰山玻 纤的HMG高模玻纤。 （1）高模玻纤原纱粗纱浸胶纱的拉伸力学性能相近。 （2）RTM工艺下，等厚层合板的0度拉伸性能相近。 但在真空导入工艺下，由于纤维体积含量的不同， 高模玻纤层合板表现出不同的0度拉伸性能，尤其强 度差别较大。
缺点：模量增加幅度 有限。
碳纤维
碳纤维在大型风电叶片中应用可以实现不少于20%的叶片减重。但由于 成本高，供应不稳定，应用推广困难。
预浸料技术
真空导入技术
拉挤技术
模量提升200%-300%。 较预浸料技术略低。
用于风电叶片的拉挤片材
模量提升200%-350%。
优点：技术成熟，已 经得到应用验证。
缺点：对制造工艺要 求高，成本高。
0度拉伸模量
C>H>ECR>E
纤维化学组成影响
含量多模量高
材料与工艺过程影 响
起点高 耐久性好
材料与工艺过程影 响
受界面性能影响大
耐久性好
材料与工艺过程影 响
以提高模量为重心的发展方向
发展趋势
为了风电叶片的结构减重需求，需要发展模量更高的单向复合材料。
2015年6月，挪威GL的高级首席工程师Dayton Griffin在CompositeWorld中发表 文章“Wind turbine blades: Back to the future?”中提出，在保证足够刚度的前提 下叶片减重的方法有三种：1）增加普通E玻纤的纤维重量含量；2）使用高模 量玻纤；3）使用碳纤维或其他替代品。
优点：不改变现有生产工 艺，工艺成本增加较少。
优点：碳纤维含量较 高，抗压性能得到保 障。
缺点：成本高，对编织技 术要求高。
பைடு நூலகம்
缺点：工艺变化大， 叶片结构需重新设计。
方向2 普通E玻纤提高0度纤维含量
改变织物结构： 增加面重或降低纬纱含量
单向复合材料模量提 升5%-15%。
优点：不改变现有生 产工艺，成本增加少。
导致运输、安装困难，系统整体成本提高
主梁帽层间失效
单向复合材料是结构减重的主力
56m 3MW叶片采用碳纤维单向复合材料结构减重显著
叶片所减少的重量几乎就是单向复合材料结构（主梁帽）所减少的重量
单向复合材料需要兼顾刚性与疲劳性能
单向复合材 料的性能
刚性
纤维种类 纤维体积含量
0度拉伸强度
疲劳性能
90度拉伸强度
120 100 80 60 40 1.0
填补了玻纤到碳纤（40~120GPa）模量的空白，给叶片设计人员提供了更多 的选择； 合理的减重和主机协同优化，有助于实现风电机组的成本最优。
6、处于尝试应用阶段的拉挤成型技术
拉挤成型技术 拉挤成型技术被认为是一种有望大幅度降低叶片成本的技术.
自动化程度高
产品纤维含量高，力 学性能高
4、真空导入成型碳纤维主梁帽技术已经成熟
碳纤维织物在中材叶片的应用成果
技术在45.2m叶片得到验证，减重 效果与预浸料技术相当。
5、碳玻混杂技术提供更多的选择机会
主 梁帽 重量 模量
碳玻混编单向织物
3000
2500
2000
1500
1000
500
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
碳纤维含量
混杂材料的模量与减重效果
主要内容
单向复合材料对风电叶片的重要性 以提高模量为重心的发展方向 国内正在进行中的材料技术升级
单向复合材料对风电叶片的重要性
单向复合材料是风电叶片主承力结构的重要组成
梁帽
梁帽
梁帽
设计要求： 刚性； 压缩强度； 横向性能； 疲劳；
常用工艺： 真空导入成型或预浸料成型；
2、S级玻璃纤维未来有可能在叶片上得到应用
泰山玻纤 S -1 HMTM玻璃特性
ASTM
玻璃纤维纱特性 密度
抗拉强度 比抗拉强度
拉伸模量 比拉伸模量
D2343 D2343
单位
g/cc MPa 103m GPa 103m
S-1 HMTM玻璃
2.55 3090 121
90 3.53
单轴向织物层压特性
抗拉强度 D3039 MPa 拉伸模量 D3039 GPa 压缩强度 D3410 MPa 压缩模量 D3410 GPa 抗弯强度 D790 MPa
缺点：模量提高幅度 有限，并增加疲劳风 险。
使用拉挤工艺
单向复合材料模量提升 5%-15%。
优点：纤维分布均匀， 抗压能力高。
缺点：工艺大调整，结 构需要重新设计。
如何兼顾工艺稳定性和材料的疲劳性能要求是技术难点。
国内正在进行中的材料技术升级
1、高模量玻纤的国产化基本完成
纤维原纱粗纱浸胶纱的拉伸力学性能 真空导入工艺制备的等厚层合板的0度拉伸性能
汽车工业发展
拉挤工 艺优势
可连续生产，占 用空间小
纤维方向一致性高， 缺陷少
6、处于尝试应用阶段的拉挤成型技术
拉挤材料在风电叶片中的应用
7、开发中的可用于提高纤维含量的低粘度树脂
在沿纤维方向的拉伸性能上，采用PU的单向复合材料层合板的 模量比EP提高了6.8%，强度基本相当；
1230 51
850 51
1390
典型E玻璃
2.58 2100 81 73 2.83
775 40 600 41 1200
3、真空袋压碳纤维预浸料成型主梁帽已经形成批量
预浸料技术在中材叶片得到应用
在45.3、56和77m叶片中得到应用 掌握纯工装辅助人工铺放技术 使用碳纤维预浸料制作叶片，需要增加铺放工装和人员，对铺层要求比较严格
常用原材料： 单轴向织物或预浸料； 树脂；
风电叶片大型化提高了对结构减重的技术需求
重量增加带来的风险
重量与长度的三次方成正比 功率与长度的二次方成正比
固有频率与叶片旋转频率接近，易发生共振
主梁帽层间失效风险增加
对叶根抗疲劳能力提出更高的要求
Growth in the size of the rotor diameter and power capacity of wind turbines since 1980. (Adapted from European Wind Energy Association.1)
方向1 使用高模量纤维
主要是高模量玻纤与碳纤维，鲜见其他种类的纤维。
高模量玻纤
由于价格低廉，供应充足，高模量玻纤（比普通E玻纤模量提升10%15%）在大型叶片中得到越来越多的应用。
单向复合材料模量提 升8-15%。
2009-2015年中国风电叶片用高模玻纤的用量统计
优点：不改变现有生 产工艺，成本增加较 少。
RTM工艺制备的等厚层合板的0度拉伸性能
对于常见的四种高模玻纤单向织物，其中D为泰山玻 纤的HMG高模玻纤。 （1）高模玻纤原纱粗纱浸胶纱的拉伸力学性能相近。 （2）RTM工艺下，等厚层合板的0度拉伸性能相近。 但在真空导入工艺下，由于纤维体积含量的不同， 高模玻纤层合板表现出不同的0度拉伸性能，尤其强 度差别较大。
缺点：模量增加幅度 有限。
碳纤维
碳纤维在大型风电叶片中应用可以实现不少于20%的叶片减重。但由于 成本高，供应不稳定，应用推广困难。
预浸料技术
真空导入技术
拉挤技术
模量提升200%-300%。 较预浸料技术略低。
用于风电叶片的拉挤片材
模量提升200%-350%。
优点：技术成熟，已 经得到应用验证。
缺点：对制造工艺要 求高，成本高。
0度拉伸模量
C>H>ECR>E
纤维化学组成影响
含量多模量高
材料与工艺过程影 响
起点高 耐久性好
材料与工艺过程影 响
受界面性能影响大
耐久性好
材料与工艺过程影 响
以提高模量为重心的发展方向
发展趋势
为了风电叶片的结构减重需求，需要发展模量更高的单向复合材料。
2015年6月，挪威GL的高级首席工程师Dayton Griffin在CompositeWorld中发表 文章“Wind turbine blades: Back to the future?”中提出，在保证足够刚度的前提 下叶片减重的方法有三种：1）增加普通E玻纤的纤维重量含量；2）使用高模 量玻纤；3）使用碳纤维或其他替代品。
优点：不改变现有生产工 艺，工艺成本增加较少。
优点：碳纤维含量较 高，抗压性能得到保 障。
缺点：成本高，对编织技 术要求高。
பைடு நூலகம்
缺点：工艺变化大， 叶片结构需重新设计。
方向2 普通E玻纤提高0度纤维含量
改变织物结构： 增加面重或降低纬纱含量
单向复合材料模量提 升5%-15%。
优点：不改变现有生 产工艺，成本增加少。
导致运输、安装困难，系统整体成本提高
主梁帽层间失效
单向复合材料是结构减重的主力
56m 3MW叶片采用碳纤维单向复合材料结构减重显著
叶片所减少的重量几乎就是单向复合材料结构（主梁帽）所减少的重量
单向复合材料需要兼顾刚性与疲劳性能
单向复合材 料的性能
刚性
纤维种类 纤维体积含量
0度拉伸强度
疲劳性能
90度拉伸强度
120 100 80 60 40 1.0
填补了玻纤到碳纤（40~120GPa）模量的空白，给叶片设计人员提供了更多 的选择； 合理的减重和主机协同优化，有助于实现风电机组的成本最优。
6、处于尝试应用阶段的拉挤成型技术
拉挤成型技术 拉挤成型技术被认为是一种有望大幅度降低叶片成本的技术.
自动化程度高
产品纤维含量高，力 学性能高
4、真空导入成型碳纤维主梁帽技术已经成熟
碳纤维织物在中材叶片的应用成果
技术在45.2m叶片得到验证，减重 效果与预浸料技术相当。
5、碳玻混杂技术提供更多的选择机会
主 梁帽 重量 模量
碳玻混编单向织物
3000
2500
2000
1500
1000
500
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
碳纤维含量
混杂材料的模量与减重效果