风电叶片材料及其防护涂料的发展与应用.docxVIP

对于风电叶片材料，首先其质量要轻，从而能使叶片更容易旋转，风力转换成电能的效率则大大增加；同时，要求风电叶片材料能承受长期的日晒雨淋、风沙、冰雪等侵蚀，还要具有高强度和抗疲劳等特性。

风电叶片材料的基本种类

风电叶片的选材直接影响其成本和综合性能。从传统型的木质叶片发展到现在主流型的复合材料，人们经历了对高性能、低成本的风电叶片材料的筛选和探索的漫长过程。

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金属材料

金属材料的价格低廉、易加工成型，较早时期被认为是风电叶片最理想的材料。风电叶片所用的金属材料主要是合金钢和铝合金。不过，经过长期试验后发现，金属材料的密度普遍较大，质量大，而且抗疲劳特性差，容易被腐蚀，特别不适合扭曲成型，因而逐步被其他材料所替代。

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玻璃钢复合材料

玻璃钢复合材料是基体树脂和玻璃纤维通过加工方式结合在一起制成的材料。其中玻璃纤维主要起到补强作用，而基体树脂主要提供粘结力，保护增强作用和传递应力作用。

玻璃钢复合材料的基体树脂主要有不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基酯树脂等。不饱和聚酯树脂的原料来源广，成本较环氧树脂低，且在常温常压下可固化成型，加工方便；环氧树脂同样有良好的加工工艺性，其粘结力好，稳定性好，防腐蚀性能优异；乙烯基酯树脂结构上保留了环氧树脂的基本链段，固化后材料具有优良的性能，在工艺性能方面则具备不饱和聚酯树脂的良好工艺性能。

相比较而言，不饱和聚酯树脂具有优异的工艺调控性，可以通过调整引发剂的用量来控制反应时间；而环氧树脂韧性较好；不饱和聚酯树脂脆性较大；乙烯基酯树脂成本和性能介于不饱和树脂和环氧树脂之间，不过其相关应用研究较晚，技术相对不成熟，目前只被少数风电叶片制造商采用。

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碳纤维复合材料

随着风电叶片的尺寸逐渐加大，叶片的质量也越来越重，但这不符合风电叶片的设计要求。高性能碳纤维材料的引入可以解决这一难题，在很大程度上实现风电叶片的减重。碳纤维材料在满足刚度和强度要求的条件下，比玻璃纤维材料轻30%。在基体树脂方面，环氧树脂的力学性能相对其他树脂好，故碳纤维复合材料的应用多以环氧树脂为基体树脂。不过，碳纤维的应用工艺要求较高，叶片的雷电防护系统情况复杂，其尚有技术性和成本性的问题需要解决。

风电叶片材料的发展趋势

目前风电叶片材料的使用情况是：我国较小型叶片（如22m长）一般选用量大、价廉的E-玻璃纤维增强塑料，基体树脂以不饱和聚酯树脂为主；而较大型叶片（长度42m以上）的结构设计则选用碳纤维复合材料或碳纤维与玻璃纤维的混杂复合材料，采用真空导入生产工艺，而基体树脂则以环氧树脂为主。传统的风电叶片材料显然不能满足风力发电叶片的要求，人们对于风电叶片材料正向低成本、高性能、环保方向继续探究。

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碳纤维增强乙烯基树脂

风电叶片成本占整个风力发电装置成本的比重较大，可以通过降低叶片成本来降低整个风力发电装置的成本。选择性价比高的材料——乙烯基树脂来替代环氧树脂，可降低风电叶片成本，另外，乙烯基树脂的工艺性好，能满足力学性能、抗疲劳性、刚度等各项性能指标的设计要求。碳纤维用来制作风电叶片，具有质轻、强度高的优势，故碳纤维增强乙烯基树脂的复合材料是制作大型风电叶片的趋势。

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热塑性复合材料

风电叶片多采用热固性树脂，如环氧树脂、不饱和聚酯树脂等制成，热固性树脂通过化学反应交联，致使树脂相对分子质量增大，分子结构形成网状结构，使得树脂性能稳定，不易分解。故热固性树脂制成的风电叶片在其退役后材料很难被回收利用。与热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有可回收再利用、密度小、强度高、抗冲击性好等优点。不过，热塑性复合材料制成的叶片成本普遍较高，这也成为了制约其用于风电叶片材料的关键性问题。

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生物质材料

玻璃钢作为一种重要的工程材料，广泛用于风电叶片。由于玻璃钢的废旧产品处理困难，既难以燃烧，又不易分解。出于环保考虑，市场上逐渐出现了以木质/竹制品等生物质材料制成的风电叶片。此类风电叶片具有如下优点：刚度高、稳定性好、低温阻尼好、材料可再生、成本低，适合于大型叶片。从工艺上看，相比环氧树脂复合材料，由于竹材的用量高达50%~70%，环氧树脂用量少，避免了固化过程的过热反应，材料的收缩小；与玻璃纤维复合材料叶片相比，则减少了加工时间，更具有市场竞争能力。

风电叶片涂层

风电叶片材料的发展逐步趋向于高性能、轻量化，但风电叶片长期处在恶劣环境下工作，需要经受不同环境地域的考验，其自身材料不足以防御风、雪、雨等恶劣天气的侵蚀和磨蚀。因此，风电叶片通常会涂覆保护涂料，显然恶劣的环境条件对于风电叶片涂料有更高的性能要求。

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风电叶片涂层的性能

风电叶片正常运转过程中通常可能受到以下几种外界侵蚀：第一种是来自紫外光的侵袭；第二种是风沙、浮尘以及雨雾等对基材的侵蚀。就第一种而言，是属于化学性的侵蚀；第二种侵蚀是属于机械性的侵蚀，对于涂料行