熱塑性碳纖維在風(fēng)電項(xiàng)目上的應(yīng)用占比會(huì)大幅提升嗎？
目前國(guó)內(nèi)碳纖維行業(yè)的發(fā)展遇到了瓶頸，低端碳纖維產(chǎn)能過剩，下游產(chǎn)業(yè)受此影響，普通碳纖維產(chǎn)品價(jià)格大幅下降，而中高端碳纖維因?yàn)榧夹g(shù)難度較高無法大面積鋪開生產(chǎn)線，諸如航空航天等高端領(lǐng)域需求依然無法滿足。為了平衡供需兩端，有研究指出風(fēng)電行業(yè)的穩(wěn)步崛起可以消耗一部分碳纖維產(chǎn)能，但是風(fēng)電行業(yè)的實(shí)際情況如何？需要低端還是中高端碳纖維復(fù)合材料呢？
風(fēng)機(jī)葉片中的碳纖維和樹脂基體介紹
風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般有風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、調(diào)向器、塔架、限速安全機(jī)構(gòu)和儲(chǔ)能裝置等構(gòu)件組成，其中風(fēng)輪就是由幾片很長(zhǎng)的葉片組成，也正是本文討論的核心部分。風(fēng)電葉片在結(jié)構(gòu)組成上主要由芯材、基材、增強(qiáng)材料和表面涂料組成，生產(chǎn)一片葉片，原材料方面的成本能達(dá)到七成，其中主要包括增強(qiáng)纖維、基體樹脂、夾芯材料、結(jié)構(gòu)膠、金屬和附件等。
目前市面上風(fēng)機(jī)葉片的增強(qiáng)材料有玻璃纖維和碳纖維兩種，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)規(guī)模的提升，風(fēng)電葉片的長(zhǎng)度也隨著增加，對(duì)葉片整體的剛度要求越來越高。原先使用的玻璃纖維增強(qiáng)體的性能逐漸到達(dá)瓶頸，這個(gè)時(shí)候碳纖維的機(jī)械性能優(yōu)勢(shì)開始顯現(xiàn)，也正是這種發(fā)展趨勢(shì)，讓碳纖維及復(fù)合材料在風(fēng)電行業(yè)嶄露頭角，加上其本身輕量化的優(yōu)勢(shì)，有將玻璃纖維取而代之的可能。
據(jù)《復(fù)合材料在大型風(fēng)電葉片上的應(yīng)用與發(fā)展》的研究表明，碳纖維的模量比玻纖高出3-8倍，比重則約低30%，因此能夠同時(shí)滿足葉片大型化和輕量化的需求。根據(jù)預(yù)測(cè)，碳纖維在陸風(fēng)和海風(fēng)主梁材料中的滲透率將逐步提高，采用碳纖維主梁的大型風(fēng)電葉片具有很大的必要性。
風(fēng)電葉片中的基體樹脂部分，多以環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂等為主，其中環(huán)氧樹脂是目前熱固性碳纖維復(fù)合材料的主要成分，因其制備難度較低，成型后的物理形態(tài)較為穩(wěn)固，綜合性能較為優(yōu)秀，因此成為了現(xiàn)階段碳纖維產(chǎn)業(yè)的核心部分。而隨著對(duì)各項(xiàng)樹脂的研究發(fā)現(xiàn)，熱塑性樹脂與碳纖維的契合度同樣很高，同時(shí)更利于回收再利用，是未來發(fā)展的一個(gè)重要方向。
風(fēng)電葉片中，熱塑性碳纖維是否可取代熱固性碳纖維？
熱塑性樹脂中包含的種類很多，如聚醚醚酮、聚芳醚酮、聚醚酮酮、聚苯硫醚、聚酰胺、聚醚砜等，這些樹脂與碳纖維融合后形成的熱塑性碳纖維復(fù)合材料的性能存在較大的區(qū)別，因此想要取代熱固性碳纖維，大范圍應(yīng)用于風(fēng)電行業(yè)，還需要更多的推論和實(shí)驗(yàn)。在此之前，不妨先來了解熱固性和熱塑性碳纖維的性能優(yōu)缺點(diǎn)。
1、熱固性碳纖維：
A、固化過程： 熱固性碳纖維在制造過程中經(jīng)歷固化過程，其一旦固化，它們就無法重新成型，不利于二次加工和回收。
B、強(qiáng)度和剛度： 熱固性碳纖維的強(qiáng)度和剛度比部分熱塑性碳纖維更好，另外耐高溫性、耐磨性也各有優(yōu)劣。
C、脆性： 與熱塑性碳纖維相比，熱固性碳纖維可能更脆，實(shí)際使用中更容易損壞。
2、熱塑性碳纖維：
A、可回收性： 熱塑性碳纖維的顯著優(yōu)點(diǎn)之一是可回收性，支持多次熔化和重塑，而不會(huì)過多的損失自身機(jī)械性能。
B、加工時(shí)間： 與熱固性碳纖維相比，熱塑性碳纖維的加工時(shí)間通常較短，并可以智能化加工。
C、抗沖擊性： 與熱固性碳纖維相比，熱塑性碳纖維提供的抗沖擊性更好。
3、實(shí)際應(yīng)用對(duì)比：
A、成本： 熱塑性碳纖維在加工方面更具有優(yōu)勢(shì)，技術(shù)成熟加工成本更低，但原材料成本過高是一個(gè)問題。
B、技術(shù)成熟度： 熱塑性碳纖維的技術(shù)和制造工藝可能不如熱固性碳纖維成熟，前者的發(fā)展時(shí)間短于后者，但潛力更大。
熱塑性碳纖維在風(fēng)電項(xiàng)目上的應(yīng)用占比會(huì)大幅提升嗎？
熱塑性碳纖維目前在風(fēng)電項(xiàng)目上的應(yīng)用比例很小，未來并不確定是否會(huì)大幅應(yīng)用。因?yàn)槟壳盁峁绦蕴祭w維復(fù)合材料提供的輕量化、高強(qiáng)度、高剛度等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)可以滿足當(dāng)下的使用需求，即便是低端碳纖維部分，也可以提供較好的性能支持，這也是為什么在平衡碳纖維產(chǎn)業(yè)供需時(shí)，會(huì)將低端碳纖維引入風(fēng)電行業(yè)的原因之一。
但是風(fēng)電行業(yè)是在發(fā)展的，碳纖維產(chǎn)業(yè)也是在發(fā)展的，正如原先的玻璃纖維性能達(dá)到瓶頸一樣，未來熱固性碳纖維在風(fēng)電行業(yè)的應(yīng)用也可能出現(xiàn)瓶頸，可能會(huì)尋求更快的加工成型工藝，性能更全面的碳纖維復(fù)合材料，對(duì)環(huán)境污染更小的樹脂基體等，這正是熱塑性碳纖維擅長(zhǎng)的領(lǐng)域，這也是為什么國(guó)內(nèi)外很多企業(yè)和機(jī)構(gòu)致力于研究熱塑性碳纖維的根本原因。
目前智上新材料是國(guó)內(nèi)為數(shù)不多的可以獨(dú)立完成熱塑性碳纖維復(fù)合材料單向帶批量生產(chǎn)的企業(yè)，尤以CF/PPS和CF/PEEK這2種高性能復(fù)材為核心。未來風(fēng)電行業(yè)、航空航天、醫(yī)療、新能源等多個(gè)領(lǐng)域必然會(huì)經(jīng)歷更長(zhǎng)久的發(fā)展，屆時(shí)CF/PPS和CF/PEEK這樣高性能的熱塑性碳纖維就可以充分得以應(yīng)用，未雨綢繆并不是徒勞無功，而是為了國(guó)內(nèi)碳纖維及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的持久發(fā)展打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
