張宗偉 徐建英 劉永 南洋 劉衛(wèi)生 喬光輝

摘 要：本文結(jié)合碳納米管的諸多優(yōu)點(diǎn)及實(shí)際項(xiàng)目情況，較為詳細(xì)地介紹了碳納米管在大型復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)發(fā)電葉片上的應(yīng)用實(shí)例及應(yīng)用前景等，這有益于大型復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)發(fā)電葉片的應(yīng)用推廣。

關(guān)鍵詞：碳納米管;應(yīng)用;葉片

1概述

碳納米管（Carbon Nanotubes，CNTs）完全是由碳原子構(gòu)成，是繼石墨、金剛石、C60之后的又一種碳的同素異形體，是新型的準(zhǔn)一維納米材料，其主要是由一層或多層石墨層片按照一定螺旋角卷曲而成的，直徑為納米量級，長度一般達(dá)幾百微米或毫米量級的無縫中空管。CNTs層與層之間是類石墨的片層結(jié)構(gòu)，碳原子之間由sp2雜化形成的C=C共價(jià)鍵組成，每個(gè)碳原子有一個(gè)未成對電子位于垂直于層片的π軌道上，這種特殊的結(jié)構(gòu)和幾何特點(diǎn)使其具有優(yōu)異的力學(xué)性能及導(dǎo)電性能，在眾多領(lǐng)域表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景，如高性能結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料、大規(guī)模集成電路、光電子元器件、生物傳感器等。

CNTs被廣泛應(yīng)用于汽車燃料輸送系統(tǒng)等要求防靜電器件的內(nèi)包裝、汽車導(dǎo)電塑料零部件的制造等領(lǐng)域，并已取得很好的應(yīng)用效果。此外，由于CNTs的納米級尺寸及添加量非常低，聚合物在取得良好的導(dǎo)電性能時(shí)，其力學(xué)及其它性能并沒有降低，非常適合于薄壁增強(qiáng)塑料件的注塑成型。

為了進(jìn)一步擴(kuò)大風(fēng)力發(fā)電規(guī)模，更有效地利用風(fēng)電資源，降低風(fēng)力發(fā)電成本，風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量越來越大，葉片的長度也在不斷增加。葉片長度的增加勢必導(dǎo)致重量的增加，從而推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)就需要更大的風(fēng)力，這意味著更多的風(fēng)力被浪費(fèi)在了推動(dòng)轉(zhuǎn)子上而非發(fā)電。因此，重量更輕、強(qiáng)度及剛度更高的超大型葉片成為近年來葉片設(shè)計(jì)與制造企業(yè)研究的重點(diǎn)。

通過研究CNTs對聚合物基復(fù)合材料力學(xué)和電學(xué)性能的影響，選擇合適的CNTs表面處理及分散方法和添加量，用以大幅提高葉片用復(fù)合材料的力學(xué)性能，滿足大型葉片對材料力學(xué)性能的更高要求，以優(yōu)化大型葉片生產(chǎn)原材料用量，降低大型葉片制造成本;利用CNTs的導(dǎo)電性能，研究CNTs基聚合物導(dǎo)電自加熱性能及開發(fā)葉片導(dǎo)電涂層，解決低溫寒冷地區(qū)葉片修復(fù)過程中加熱固化難及運(yùn)行過程中表面結(jié)垢、積雪、結(jié)冰、結(jié)霜等問題，提高風(fēng)能利用效率，保證風(fēng)機(jī)的運(yùn)行安全，確保風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效益。

2.1具體研究開發(fā)的內(nèi)容

（1）CNTs的表面修飾及處理技術(shù)和CNTs在環(huán)氧樹脂基體中的分散技術(shù)

（2）通過CNTs對聚合物基復(fù)合材料力學(xué)性能影響的研究，利用CNTs改性環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂等基體材料，提高材料的力學(xué)性能，減少材料用量，降低葉片重量，其次，提高葉片合模膠粘界面的粘接性能，提高粘接質(zhì)量;

（3）通過CNTs對聚合物導(dǎo)電性能影響的研究，開發(fā)具有良好導(dǎo)電性能的環(huán)氧樹脂基玻璃纖維增強(qiáng)塑料。利用導(dǎo)電材料通電發(fā)熱的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)葉片現(xiàn)場修復(fù)材料的自加熱，解決低溫寒冷地區(qū)葉片大面積修復(fù)，固化溫度無法保證、影響修復(fù)質(zhì)量的問題;

（4）通過CNTs對現(xiàn)有葉片表面涂層的改性研究，使表面涂層具有導(dǎo)電性能，實(shí)現(xiàn)自身加熱，用于葉片的除雪、除冰、除霜，減少霜凍對葉片氣動(dòng)性能的影響，保證葉片發(fā)電效率和運(yùn)行安全;

（5）通過CNTs改性涂料性能的研究，開發(fā)出一種自潔性、耐磨性、附著力、柔韌性、耐老化性能優(yōu)異的涂料，解決現(xiàn)有葉片防護(hù)涂層的不足;

2.2研究方法

（1）研究CNTs在聚合物中的分散技術(shù);

本項(xiàng)目中CNTs的表面修飾和改性技術(shù)及其在聚合物樹脂基體中的分散技術(shù)基礎(chǔ)是Layer-By-Layer（LBL）模板技術(shù)和機(jī)械球磨共混技術(shù)。主要采用非共價(jià)功能化修飾法對CNTs進(jìn)行表面改性，并用機(jī)械球磨輔助分散法制備CNTs分散液或CNTs樹脂基體溶液。

（2）CNTs基聚合物復(fù)合材料的制備及性能評價(jià)

①采用真空輔助灌注法制備CNTs基聚合物復(fù)合材料層合板，研究不同CNTs表面修飾方法、CNTs添加量對聚合物基復(fù)合材料力學(xué)性能及通電條件下自加熱性能的影響，并以此為依據(jù)，進(jìn)行配方設(shè)計(jì)，開發(fā)出具有良好力學(xué)性能及導(dǎo)電性能的環(huán)氧樹脂基玻璃纖維增強(qiáng)塑料，為葉片設(shè)計(jì)及制造過程中減少材料用量，降低葉片重量，提高葉片合模膠粘界面的粘接性能及粘接質(zhì)量奠定基礎(chǔ);

②通過在現(xiàn)有的葉片表面涂層涂料中添加CNTs分散液，通過研究不同CNTs添加量對葉片表面涂層耐磨性、附著力、柔韌性、耐老化性能及導(dǎo)電性能的影響，確定最佳添加劑量，為實(shí)現(xiàn)涂層自身加熱，用于葉片的除雪、除冰、除霜，減少對葉片氣動(dòng)性能的影響，保證葉片發(fā)電效率和安全運(yùn)行，解決現(xiàn)有葉片防護(hù)涂層的不足等問題奠定基礎(chǔ);

③CNTs基復(fù)合材料葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝及驗(yàn)證試驗(yàn)

a.通過對CNTs基聚合物復(fù)合材料的制備方法及性能研究，設(shè)計(jì)CNTs基復(fù)合材料葉片，并確定CNTs基復(fù)合材料葉片的成型工藝及相應(yīng)的工藝條件和參數(shù)，進(jìn)行CNTs基復(fù)合材料葉片試制。

b.通過全尺寸結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，并對實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和討論，以期為CNTs基復(fù)合材料葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)工藝改進(jìn)提供參考依據(jù);

c.通過對CNTs基復(fù)合材料葉片殼體及其導(dǎo)電涂層導(dǎo)電性能的測試，進(jìn)一步研究電壓施加方式、升溫速率及升溫時(shí)間之間的影響關(guān)系，為低溫寒冷地區(qū)現(xiàn)場葉片的維修加熱固化工藝及預(yù)防葉片表面積雪、結(jié)霜及解凍提供參考依據(jù);

2.3項(xiàng)目創(chuàng)新

（1）充分利用CNTs優(yōu)良的電學(xué)和力學(xué)性能對聚合物進(jìn)行改性，與葉片逐步大型化、對材料力學(xué)性能要求越來越高的需求相一致;

（2）通過研究CNTs對聚合物樹脂基體及葉片表面涂層導(dǎo)電性能的影響，不僅創(chuàng)新性的解決了低溫寒冷地區(qū)葉片現(xiàn)場修復(fù)加熱固化問題，還為葉片表面防雪、防冰、防霜及防污提供一條新的、更佳的解決途徑。

3.1主要指標(biāo)

（1）對力學(xué)性能和電性能的改進(jìn)：材料的拉伸強(qiáng)度在原有基礎(chǔ)上提高10%以上;涂料體積電阻率低于108Ω·m，表面電阻率低于109Ω;

（2）聚合物自加熱性能：聚合物復(fù)合材料上施加低于24v電壓，在常溫下，每小時(shí)升溫60℃以上，基體溫度達(dá)到的最高溫度不高于85℃;葉片表面涂層施加低于24v電壓，-20℃環(huán)境條件下表面溫度0℃以上;

（3）涂料基本性能改進(jìn)：自潔性、耐磨性、附著力、柔韌性、耐化性能等性能明顯提高，可量化的指標(biāo)性能提高不低于10%。

3.2社會(huì)效益

通過CNTs的改性，提高聚合物基復(fù)合材料的性能和性價(jià)比，拓寬原有聚合物和玻璃纖維的應(yīng)用領(lǐng)域，替代或減少價(jià)格昂貴的碳纖維等高性能材料的使用，滿足葉片大型化發(fā)展趨勢對材料提出的更高要求，降低大型葉片制造成本，從而降低整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的造價(jià)和發(fā)電成本，提高風(fēng)電的市場競爭力，促進(jìn)風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展;CNTs改性涂料的應(yīng)用，對減少葉片表面污物對葉片風(fēng)能利用系數(shù)的影響、提高風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量，避免葉片因污物造成的質(zhì)量不平衡，保證風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全都具有重要意義。

4綜述

利用CNTs優(yōu)良的力學(xué)及導(dǎo)電性能，不僅可以提高葉片的力學(xué)性能，又可以降低葉片重量，降低生產(chǎn)成本;同時(shí)，還可以解決低溫寒冷地區(qū)葉片修復(fù)難及覆冰等問題，具有廣闊的市場應(yīng)用前景及產(chǎn)業(yè)化前景。

參考文獻(xiàn)

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