一、引言
在全球能源轉(zhuǎn)型背景下，風(fēng)力發(fā)電作為可再生能源的核心技術(shù)之一，正迎來(lái)快速發(fā)展。截至2023年7月，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量已達(dá)3.9億千瓦，同比增長(zhǎng)14.3%。葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件，其性能直接影響發(fā)電效率與可靠性。熱固性復(fù)合材料因其優(yōu)異的力學(xué)性能、耐腐蝕性成為主流選擇，但其回收難題制約可持續(xù)發(fā)展。本文將從制備工藝創(chuàng)新、再生性能評(píng)估及未來(lái)方向三方面探討熱固性復(fù)合材料在可回收風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的應(yīng)用。
二、熱固性復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的應(yīng)用現(xiàn)狀
材料優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）：比玻璃纖維輕30%，模量高3-8倍，顯著提升葉片剛度和抗疲勞性能，但成本高昂（約為玻璃纖維的10倍）。
熱固性樹(shù)脂：環(huán)氧樹(shù)脂等熱固性基體性能穩(wěn)定，但固化后不可逆交聯(lián)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致回收困難，退役葉片易產(chǎn)生大量廢棄物（預(yù)計(jì)2030年達(dá)1000萬(wàn)噸）。
葉片大型化趨勢(shì)
隨著單機(jī)容量提升，葉片長(zhǎng)度已突破100米，對(duì)材料強(qiáng)度、剛度提出更高要求。碳纖維成為超大型葉片的核心材料，部分企業(yè)通過(guò)碳玻混雜（如1:2和2:3混雜比）平衡性能與成本。
三、熱固性復(fù)合材料葉片的制備工藝創(chuàng)新
界面優(yōu)化技術(shù)
等離子體處理：提升碳纖維表面能至82mJ/m²，層間剪切強(qiáng)度提高35%。
納米涂層：碳納米管（CNT）涂層使界面粘結(jié)強(qiáng)度提升40%，賦予導(dǎo)電/導(dǎo)熱功能。
共混改性：聚醚醚酮（PEEK）與環(huán)氧樹(shù)脂共混形成半互穿網(wǎng)絡(luò)，斷裂韌性提升60%。
高效成型工藝
樹(shù)脂傳遞模塑（RTM）：空客A350機(jī)翼后緣采用此工藝，重量減輕30%，成本降低25%。
真空輔助樹(shù)脂灌注（VARI）：結(jié)合微波固化技術(shù)，固化周期從8小時(shí)縮短至2小時(shí)，能耗降低70%。
3D打印：波蘭3Dfy項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)纖維體積含量65%的連續(xù)纖維增強(qiáng)打印，材料利用率提高60%。
四、熱固性復(fù)合材料的再生性能評(píng)估
回收技術(shù)挑戰(zhàn)
溶劑分解法：超臨界流體（如正丙醇）在45℃、5MPa下可高效分離碳纖維，但能耗高。
熱解法：高溫?zé)峤猓?20-550℃）回收碳纖維拉伸強(qiáng)度保留85%，但需專業(yè)廢氣處理設(shè)備。
機(jī)械回收：粉碎后作為建筑材料填料，但粉塵污染嚴(yán)重，回收纖維長(zhǎng)度短（<10mm）。
化學(xué)回收：
再生材料性能
力學(xué)性能：回收碳纖維拉伸強(qiáng)度為原絲的75%-85%，層間剪切強(qiáng)度基本穩(wěn)定。
熱性能：再生樹(shù)脂玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）下降10%-15%，需通過(guò)納米摻雜改性。
評(píng)估方法
無(wú)損檢測(cè)：超聲波、X射線檢測(cè)內(nèi)部缺陷（如分層、孔隙），工業(yè)CT精度可達(dá)0.01mm。
加速老化試驗(yàn)：模擬20年服役環(huán)境，評(píng)估再生材料耐濕熱、抗紫外線性能。
五、未來(lái)研究方向
材料設(shè)計(jì)
可降解熱固性樹(shù)脂：開(kāi)發(fā)受熱或光照可分解的樹(shù)脂體系，如生物基環(huán)氧樹(shù)脂。
混雜纖維：玄武巖纖維、芳綸纖維與碳纖維混雜，提升耐候性并降低成本。
工藝優(yōu)化
自動(dòng)化制備：推廣拉擠成型技術(shù)，江蘇恒神等企業(yè)已實(shí)現(xiàn)大絲束碳纖維葉片量產(chǎn)。
閉環(huán)回收系統(tǒng)：建立葉片全生命周期數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)退役葉片高效拆解與分類。
政策支持
標(biāo)準(zhǔn)制定：推動(dòng)回收碳纖維力學(xué)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（如ISO 527、ASTM D790）。
碳交易機(jī)制：將葉片回收納入碳減排核算，激勵(lì)企業(yè)采用可回收材料。
熱固性復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的主導(dǎo)地位不可撼動(dòng)，但其回收難題亟待突破。通過(guò)界面優(yōu)化、高效成型工藝及化學(xué)回收技術(shù)創(chuàng)新，結(jié)合政策引導(dǎo)，可推動(dòng)葉片向“輕量化-高性能-可回收”閉環(huán)發(fā)展。未來(lái)，開(kāi)發(fā)兼具環(huán)保性與經(jīng)濟(jì)性的熱固性復(fù)合材料體系，將是實(shí)現(xiàn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向。
