引言

　　中小型風電葉片是應用于中小型風力發電機上的關鍵核心部件之一。目前的制作方法主要是采用玻璃鋼手糊工藝生產，但玻璃鋼材料制造工藝生產效率低、成本高，不適合未來大批量生產。采用長纖維熱塑性復合材料注塑生產的風輪葉片，無論從理論分析還是從實驗驗證，都表明可替代玻璃鋼的可行性，發展前景十分廣泛。

　　1. 現有工藝及其存在的問題

　　目前國內小型風電行業所使用的風電葉片主要采用手糊成型工藝加工。

　　1.1 手糊成型工藝簡介

　　手糊成型工藝又稱接觸成型工藝。即手工作業把玻璃纖維織物和樹脂交替鋪在模具上，然后固化成型為玻璃鋼制品的工藝。

　　手糊成型工藝流程圖如圖1 所示。

 1.2 手糊成型工藝的優點

　　·是復合材料成型最基本的方法，或者說是一種萬能”方法。能夠成型任意形狀、任意大小的制品；
　　·操作簡便，操作者容易培訓；
　　·設備簡單、投資少；
　　·一般情況下不需要加壓操作，工藝最為簡單
　　·所用模具材料來源廣，制造相對簡單。

　　1.3 手糊成型工藝的不足

　    勞動強度大、生產效率低、速度慢、
　    生產周期長（2h 以上）；
　　·產品質量受操作人員技能水平及制作環境條件的影響，故產品質量穩定性差；
　　·制品的力學性能較其它方法低；
　　·不夠“綠色、環保”，有一定污染
　　總之，手糊成型技術依賴于操作者的技能水平，所以，制品質量不易保證和控制。此外，手糊成型技術生產效率低、生產周期長，產品的力學性能也較其他成型方法的產品低。

2. 現有生產方式替代玻璃鋼材料的

　　可行性分析

　　2.1 材料性能可行性

　　LFT 是長纖維增強熱塑性復合材料（Long Fiber Reinforced Thermoplastics）的英文簡稱，是一種以熱塑性樹脂（如聚丙烯、尼龍、聚酯等）為基體，以長纖維（玻璃纖維、麻纖維、碳纖維和芳綸纖維）為增強材料的復合材料。它具有重量輕、強度高、低溫抗沖擊韌性強、耐腐蝕、成型加工性能優良、可設計性好、可重復回收利用、綠色環保等卓越性能。比玻璃鋼材料具有更加優良的特性。

　　由表1 對比可知，長纖維復合材料有不輸于熱固性材料的優良性能，配合相應的設計技巧及方法，一定可以作為替代現有小型風電葉片的生產材料。

2.2 工藝可行性

　　長纖維熱塑性復合材料多采用注塑成型加工工藝，即將受熱融化的材料由高壓射入模腔，經冷卻固化后，得到成形品的方法。

       該方法適用于形狀復雜部件的批量生產，是重要的加工方法之一。
　　注射成型過程大致可分為以下6 個階段：合模、射膠、保壓、冷卻、開模、制品取出。上述工藝反復進行，就可批量周期性生產出制品，過程如圖2 所示。

現以南車二七車輛有限公司所生產的某型號風電葉片（以下稱為A 型葉片）為例，對葉片進行模流分析，其各項數據云圖如圖3 所示。

　　根據以上有限元分析結果可知，使用長纖維熱塑性復合材料注塑成型小型風電葉片各項參數較為理想，不存在欠注、氣穴等缺陷，且結構相對簡單，有利于纖維的縱向排布，能夠保證產品的可靠性、一致性以及力學要求。

　　2.3 經濟可行性

　　注塑成型工藝模具費用采用優質模具鋼加工制造，而手糊成型工藝模具多采用木質模，故注塑成型模具成本要比手糊成型工藝高出一些。但是注塑成型自動化程度較高、成型時間短，而手糊工藝成型時間長、人工成本高，故隨著生產量的增加，注塑成型的經濟優勢會越來越明顯，制造成本大幅減少。
　　注塑成型與手糊工藝成本對比結果如表2 所示。

2.4 國外情況

　　目前，各大集團公司都在致力于研究可回收利用的熱塑性葉片的開發。Gaoth TecTeo 與三菱重工以及Cyclics 公司簽署了一份合作協議，共同為全球大規模風場開發熱塑性復合材料風電葉片，制作了全球首個12.6米可循環風力機葉片，此葉片退役后，平均每套風力機可回收19 噸葉片塑料材料，在風電工業上堪稱史無前列。雖然熱塑性樹脂較熱固性樹脂輕，它易于發生蠕變，且用膠粘劑膠接熱塑性樹脂基復合材料殼體較困難，因此，目前不適用于大型風力機葉片的開發。

　　綜上所述，長纖維熱塑性復合材料無論是在理論分析還是從國外的成功經驗都證明了其可應用于小型風力機的批量化生產。

　　3. 成功案例
　　上文所提到的A 型葉片目前已由南車二七車輛有限公司試制成功，并已進入量產階段，實際生產過程每個葉片所需生產時間為：3.5min/ 片，生產效率遠遠高于其它生產工藝。注塑加工成型的A 型葉片實物圖如圖4 所示。

 在A 型葉片成品試制成功之后，該公司對其內部結構、力學性能、產品質量等進行了相關測試，測試結果如下：

        3.1 燒結實驗。對樣品進行纖維高溫燒結，其纖維保留長度結果如下圖5 所示

  經過馬弗爐燒結之后檢測其內部纖維長度發現，纖維長度基本都在( ＞ 3.4 ～ 5.8mm)。

　　  3.2 電鏡實驗。將制品截斷，截面處電鏡照片如圖6 所示。

對A 型葉片成品斷裂部位經過電鏡掃描觀察，其纖維和樹脂之間的包覆情況非常緊密，沒有出現纖維拖出現象。

　　3.3 力學性能。

       對制品進行掛重實驗，將葉片根部固定于實驗臺車臂上，最大靜載荷砝碼測試值選為300kg 時，勻速上升至1.8m高度后，葉片的根端部(90cm 端處) 逐漸開始出現斷裂紋發生與增大擴展，直至最終斷裂，此時葉片疲勞斷裂強度認為己經達到最大極限值。實驗過程如圖7 所示。

　　3.4 重量控制。

通過合理設計注塑工藝參數，可以注塑生產出合格的熱塑性復合材料葉片產品，每個葉片重量為3780g，公差為±15g，完全達到葉片設計的疲勞斷裂強度要求。

　　3.5 噪聲。

       注塑產品表面質量較手糊工

　　藝更優良，各葉片一致性、穩定性大幅提高，葉片氣動外形與設計數據偏差小。故相比手糊成型葉片，注塑成型葉片噪聲大幅度降低，A 型葉片目前測量結果為35dB 以下。

　　總之，根據上述測試結果，在注塑加工成型后，長玻纖增強熱塑性復合材料(PPLGF40)制品中的長纖維(LGF) 的最小保留長度會較大( ＞ 3.4 ～ 5.8mm)，明顯大于其臨界尺寸Lo=1.083mm，并且在制件內可以形成相互纏結纖維的三維空間網絡結構。纖維(LGF) 增強效應更加明顯，纖維拔出功更大，沖擊強度會更高。 纖維頭端部的應力集中點也是裂紋引發點，容易造成應力開裂，從而使抗沖擊韌性下降。由于長玻纖增強熱塑性復合材料葉片制品中的纖維最小保留長度(Lo) 較長，纖維頭端部數量則會顯著減少，應力開裂減少，從而使剛性強度、抗沖擊韌性，以及載荷能量吸收同時得到顯著提高。

　　由此可見，長纖維熱塑性復合材料完全能夠滿足小型風力發電機葉片的使用要求，是實現替換手糊成型工藝的理想材料。

4. 結論和展望

　　用長玻纖增強熱塑性復合材料制備風能復合材料葉片，具有更好的力學機械性能和成型加工性能，特別是密度低、高剛性、耐低溫抗沖擊性好、耐蠕變好，質量控制可靠，產品綜合成本降低約30%，因而取代用手糊成型工藝加工的風電葉片是風電行業未來的發展方向。

　　這一成果為國內實現小型風能熱塑性復合材料葉片產品的高性能化、國產化奠定了重要基礎，具有十分重要科研意義和巨大經濟價值，必將為我國風光互補發電系統集成技術與小型風力發電機行業發展做出更大貢
獻。