風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，其成本占整個風(fēng)機(jī)的20%以上。近年來隨著全球范圍內(nèi)對風(fēng)能開發(fā)的持續(xù)增長，大尺寸甚至超大尺寸葉片(單片長度超過70米)成為風(fēng)電發(fā)展的主流方向。葉片在服役過程中受到多種外部載荷的聯(lián)合作用(包括彎曲、壓縮、拉伸等)，對材料的剛度、強(qiáng)度、耐疲勞等力學(xué)性能要求很高。葉片材料的選擇還需考慮諸如材料的加工性、密度、環(huán)境穩(wěn)定性等因素。開發(fā)新型的高性能葉片材料對于提升風(fēng)機(jī)整體性能尤為重要。

       中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所環(huán)境科學(xué)與技術(shù)研究室高分子復(fù)合材料團(tuán)隊分析了碳納米管/高分子納米復(fù)合材料用于風(fēng)機(jī)葉片材料的可行性和獨特優(yōu)勢。碳納米管(CNTs)是一種管狀一維納米材料，具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等性能。通過在高分子基體中添加少量的CNTs(一般<1.0 wt%)，就可使材料的性能得到非常顯著的改善。例如在典型的葉片用環(huán)氧樹脂中添加0.5wt%CNTs，材料的導(dǎo)熱率可以提高80%以上。碳納米管/高分子納米復(fù)合材料還具有獨特的多功能性質(zhì)：如納米填料的引入可以同時改善復(fù)合材料的模量、強(qiáng)度、韌性、耐疲勞等力學(xué)性能，而這種增強(qiáng)效果在傳統(tǒng)的高分子復(fù)合材料中幾乎難以實現(xiàn)。通過在風(fēng)機(jī)葉片材料-纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)的組分(纖維或基體)中引入碳納米材料(如圖)，可以提高基體的性能以及纖維和FRP基體之間的界面作用，進(jìn)而為改善風(fēng)機(jī)葉片的整體性能提供了可能。

此外，研究人員分析了CNT/高分子納米復(fù)合材料的環(huán)境穩(wěn)定性，指出采用此類材料有望提高風(fēng)機(jī)葉片的防雷擊、耐濕、耐熱等性能;利用CNTs優(yōu)異的電學(xué)性能設(shè)計的傳感材料可用于葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷的檢測，從而為預(yù)測葉片壽命提供了一種新途徑。

該研究成果發(fā)表在Renewable and Sustainable Energy Reviews，2014, 30: 651-660上。此項研究工作得到中科院“西部之光”、國家“千人計劃”等項目資助。

相關(guān)研究成果受到法國JEC集團(tuán)的關(guān)注，作者受邀于2013年6月在新加坡舉辦的亞洲JEC復(fù)合材料展覽會(JEC Asia-2013)上做邀請報告，此報告內(nèi)容將于近期在能源類期刊《可再生能源評論》上發(fā)表。

　　　

 

　　                                          風(fēng)機(jī)葉片用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中引入CNTs的方法