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碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维,不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。碳纤维的轴向强度和模量高, 无蠕变,耐疲劳性好,比热及导电性介于非金属和金属之间,热膨胀系数小,耐腐蚀性好,纤维的体积质量低,X射线透过性好。与传统的玻璃纤维相比,碳纤维复合材料叶片的刚度是玻璃纤维复合材料叶片的2倍~3倍,且同样长度的碳纤维叶片比玻璃纤维叶片要轻得多。随着风力发电机叶片长度的增加,碳纤维作为叶片增强材料更能充分发挥其轻质高强的优点。
碳纤维复合材料价格取决于碳纤维价格,碳纤维复合材料虽然在性能上明显优于玻璃纤维复合材料,但在价格上也是远远高于玻璃纤维复合材料,这在很大程度上限制了它的大规模应用。为此,世界各国正致力于从原材料、工艺技术、质量控制等方面深入研究,以期降低复合材料的成本,从而使碳纤维复合材料的价格大幅度下降。此外,随着纳米技术的发展,法国Nanoledge碳纳米结构材料将引领复合材料领域的一场革命。碳纳米结构材料具有更好的抗冲击性、抗弯强度、防裂纹扩展性和导电性等多种功能,给叶片材料的发展提供了新的契机。由此可见,在风力发电机叶片大型化趋势的推动下,采用碳纤维复合材料叶片将有着非常广阔的发展前景。
1.3 碳玻混杂复合材料
随着叶片长度的增加,对其刚度提出了更高的要求,同时考虑到碳纤维比玻璃纤维具有更高的价格,因此既能减轻叶片质量,提高叶片刚度和强度,同时又能兼顾叶片价格的一种有效方法就是采用碳玻混杂增强方案,其叶片可减重20%~30%。据悉,Nodex公司已经研制生产出长56m的海上风力发电机叶片和长 43m的陆上风力发电机叶片,其材料就是碳玻混杂增强复合材料。通常情况下,长度大于40m的风力发电机叶片可以采用碳玻混杂复合材料。
2 叶片复合材料的结构设计
过去用于增强的玻璃纤维和碳纤维基布材料大多采用经纬交织的机织物,但从承载状态上来考虑,采用经编轴向织物作为增强复合材料的基布比经纬交织的机织物具有更明显的优势,如图1所示。
这类轴向织物由于承受载荷的纱线系统按要求排列并绑缚在一起,因此能够处于最佳的承载状态。另一方面,轴向技术使得织物的纱线层能按照特定的方向伸直取向, 故每根纤维力学理论值的利用率几乎能达到100%。此外,轴向织物的纱线层层铺叠,按照不同的强度和刚度要求,可以在织物的同一层或不同层采用不同种类的纤维材料,如玻璃纤维、碳纤维或碳玻混杂纤维,再按照编织点由编织纱线将其绑缚在一起。除了经编轴向织物外,还可以利用纬编绑缚系统开发纬编轴向织物,如图2所示。
