碳纖維是含碳量高于90%的無機(jī)高分子纖維,不僅具有碳材料的固有本征特性,又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性,是新一代增強(qiáng)纖維。碳纖維的軸向強(qiáng)度和模量高, 無蠕變,耐疲勞性好,比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間,熱膨脹系數(shù)小,耐腐蝕性好,纖維的體積質(zhì)量低,X射線透過性好。與傳統(tǒng)的玻璃纖維相比,碳纖維復(fù)合材料葉片的剛度是玻璃纖維復(fù)合材料葉片的2倍~3倍,且同樣長度的碳纖維葉片比玻璃纖維葉片要輕得多。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片長度的增加,碳纖維作為葉片增強(qiáng)材料更能充分發(fā)揮其輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

　　碳纖維復(fù)合材料價(jià)格取決于碳纖維價(jià)格,碳纖維復(fù)合材料雖然在性能上明顯優(yōu)于玻璃纖維復(fù)合材料,但在價(jià)格上也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于玻璃纖維復(fù)合材料,這在很大程度上限制了它的大規(guī)模應(yīng)用。為此,世界各國正致力于從原材料、工藝技術(shù)、質(zhì)量控制等方面深入研究,以期降低復(fù)合材料的成本,從而使碳纖維復(fù)合材料的價(jià)格大幅度下降。此外,隨著納米技術(shù)的發(fā)展,法國Nanoledge碳納米結(jié)構(gòu)材料將引領(lǐng)復(fù)合材料領(lǐng)域的一場革命。碳納米結(jié)構(gòu)材料具有更好的抗沖擊性、抗彎強(qiáng)度、防裂紋擴(kuò)展性和導(dǎo)電性等多種功能,給葉片材料的發(fā)展提供了新的契機(jī)。由此可見,在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片大型化趨勢的推動下,采用碳纖維復(fù)合材料葉片將有著非常廣闊的發(fā)展前景。

　　1.3　碳玻混雜復(fù)合材料

　　隨著葉片長度的增加,對其剛度提出了更高的要求,同時(shí)考慮到碳纖維比玻璃纖維具有更高的價(jià)格,因此既能減輕葉片質(zhì)量,提高葉片剛度和強(qiáng)度,同時(shí)又能兼顧葉片價(jià)格的一種有效方法就是采用碳玻混雜增強(qiáng)方案,其葉片可減重20%~30%。據(jù)悉,Nodex公司已經(jīng)研制生產(chǎn)出長56m的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片和長 43m的陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片,其材料就是碳玻混雜增強(qiáng)復(fù)合材料。通常情況下,長度大于40m的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片可以采用碳玻混雜復(fù)合材料。

　　2　葉片復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　過去用于增強(qiáng)的玻璃纖維和碳纖維基布材料大多采用經(jīng)緯交織的機(jī)織物,但從承載狀態(tài)上來考慮,采用經(jīng)編軸向織物作為增強(qiáng)復(fù)合材料的基布比經(jīng)緯交織的機(jī)織物具有更明顯的優(yōu)勢,如圖1所示。

　　這類軸向織物由于承受載荷的紗線系統(tǒng)按要求排列并綁縛在一起,因此能夠處于最佳的承載狀態(tài)。另一方面,軸向技術(shù)使得織物的紗線層能按照特定的方向伸直取向, 故每根纖維力學(xué)理論值的利用率幾乎能達(dá)到100%。此外,軸向織物的紗線層層鋪疊,按照不同的強(qiáng)度和剛度要求,可以在織物的同一層或不同層采用不同種類的纖維材料,如玻璃纖維、碳纖維或碳玻混雜纖維,再按照編織點(diǎn)由編織紗線將其綁縛在一起。除了經(jīng)編軸向織物外,還可以利用緯編綁縛系統(tǒng)開發(fā)緯編軸向織物,如圖2所示。