碳納米管在大型復合材料葉片上的應用

張宗偉 徐建英 劉永 南洋 劉衛生 喬光輝

摘 要：本文結合碳納米管的諸多優點及實際項目情況，較為詳細地介紹了碳納米管在大型復合材料風力機發電葉片上的應用實例及應用前景等，這有益于大型復合材料風力機發電葉片的應用推廣。

關鍵詞：碳納米管;應用;葉片

1概述

碳納米管（Carbon Nanotubes，CNTs）完全是由碳原子構成，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構，碳原子之間由sp2雜化形成的C=C共價鍵組成，每個碳原子有一個未成對電子位于垂直于層片的π軌道上，這種特殊的結構和幾何特點使其具有優異的力學性能及導電性能，在眾多領域表現出廣泛的應用前景，如高性能結構增強材料、大規模集成電路、光電子元器件、生物傳感器等。

CNTs被廣泛應用于汽車燃料輸送系統等要求防靜電器件的內包裝、汽車導電塑料零部件的制造等領域，并已取得很好的應用效果。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電性能時，其力學及其它性能并沒有降低，非常適合于薄壁增強塑料件的注塑成型。

為了進一步擴大風力發電規模，更有效地利用風電資源，降低風力發電成本，風電機組的單機容量越來越大，葉片的長度也在不斷增加。葉片長度的增加勢必導致重量的增加，從而推動轉子轉動就需要更大的風力，這意味著更多的風力被浪費在了推動轉子上而非發電。因此，重量更輕、強度及剛度更高的超大型葉片成為近年來葉片設計與制造企業研究的重點。

通過研究CNTs對聚合物基復合材料力學和電學性能的影響，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合材料的力學性能，滿足大型葉片對材料力學性能的更高要求，以優化大型葉片生產原材料用量，降低大型葉片制造成本;利用CNTs的導電性能，研究CNTs基聚合物導電自加熱性能及開發葉片導電涂層，解決低溫寒冷地區葉片修復過程中加熱固化難及運行過程中表面結垢、積雪、結冰、結霜等問題，提高風能利用效率，保證風機的運行安全，確保風電機組的發電效益。

2.1具體研究開發的內容

（1）CNTs的表面修飾及處理技術和CNTs在環氧樹脂基體中的分散技術

（2）通過CNTs對聚合物基復合材料力學性能影響的研究，利用CNTs改性環氧樹脂、聚酯樹脂等基體材料，提高材料的力學性能，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，提高粘接質量;

（3）通過CNTs對聚合物導電性能影響的研究，開發具有良好導電性能的環氧樹脂基玻璃纖維增強塑料。利用導電材料通電發熱的特點，實現葉片現場修復材料的自加熱，解決低溫寒冷地區葉片大面積修復，固化溫度無法保證、影響修復質量的問題;

（4）通過CNTs對現有葉片表面涂層的改性研究，使表面涂層具有導電性能，實現自身加熱，用于葉片的除雪、除冰、除霜，減少霜凍對葉片氣動性能的影響，保證葉片發電效率和運行安全;

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

2.2研究方法

（1）研究CNTs在聚合物中的分散技術;

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

（2）CNTs基聚合物復合材料的制備及性能評價

①采用真空輔助灌注法制備CNTs基聚合物復合材料層合板，研究不同CNTs表面修飾方法、CNTs添加量對聚合物基復合材料力學性能及通電條件下自加熱性能的影響，并以此為依據，進行配方設計，開發出具有良好力學性能及導電性能的環氧樹脂基玻璃纖維增強塑料，為葉片設計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量奠定基礎;

②通過在現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、耐老化性能及導電性能的影響，確定最佳添加劑量，為實現涂層自身加熱，用于葉片的除雪、除冰、除霜，減少對葉片氣動性能的影響，保證葉片發電效率和安全運行，解決現有葉片防護涂層的不足等問題奠定基礎;

③CNTs基復合材料葉片的結構設計、生產工藝及驗證試驗

a.通過對CNTs基聚合物復合材料的制備方法及性能研究，設計CNTs基復合材料葉片，并確定CNTs基復合材料葉片的成型工藝及相應的工藝條件和參數，進行CNTs基復合材料葉片試制。

b.通過全尺寸結構靜力試驗和疲勞試驗，對產品的結構設計進行驗證，并對實驗過程及數據進行分析和討論，以期為CNTs基復合材料葉片的結構設計及生產工藝改進提供參考依據;

c.通過對CNTs基復合材料葉片殼體及其導電涂層導電性能的測試，進一步研究電壓施加方式、升溫速率及升溫時間之間的影響關系，為低溫寒冷地區現場葉片的維修加熱固化工藝及預防葉片表面積雪、結霜及解凍提供參考依據;

2.3項目創新

（1）充分利用CNTs優良的電學和力學性能對聚合物進行改性，與葉片逐步大型化、對材料力學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電性能的影響，不僅創新性的解決了低溫寒冷地區葉片現場修復加熱固化問題，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

（1）對力學性能和電性能的改進：材料的拉伸強度在原有基礎上提高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：聚合物復合材料上施加低于24v電壓，在常溫下，每小時升溫60℃以上，基體溫度達到的最高溫度不高于85℃;葉片表面涂層施加低于24v電壓，-20℃環境條件下表面溫度0℃以上;

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

3.2社會效益

通過CNTs的改性，提高聚合物基復合材料的性能和性價比，拓寬原有聚合物和玻璃纖維的應用領域，替代或減少價格昂貴的碳纖維等高性能材料的使用，滿足葉片大型化發展趨勢對材料提出的更高要求，降低大型葉片制造成本，從而降低整個風電機組的造價和發電成本，提高風電的市場競爭力，促進風電行業的發展;CNTs改性涂料的應用，對減少葉片表面污物對葉片風能利用系數的影響、提高風電機組發電量，避免葉片因污物造成的質量不平衡，保證風機運行安全都具有重要意義。

4綜述

利用CNTs優良的力學及導電性能，不僅可以提高葉片的力學性能，又可以降低葉片重量，降低生產成本;同時，還可以解決低溫寒冷地區葉片修復難及覆冰等問題，具有廣闊的市場應用前景及產業化前景。

參考文獻

[1] 李兆敏，王聰，韓克清，等.表面官能團化多壁MWNTs/EP復合材料的制備及性能[J].材料科學與工程學報，2007，25（3）：395-398.

[2] 張昊，蔡佩芝，趙東林，等.碳納米管增強環氧樹脂基復合材料的制備及其力學性能[J].北京化工大學學報（自然科學版），2011，38（1）：62-67.