科普丨什么是风电叶片材料？

前文我们讲到《科普 | 什么是风电叶片？它是怎么发电的？》，本文我们将对风电叶片材料进行梳理。

风电叶片是风电机组中将自然界风能转换为电能的核心部件。它负责捕捉风能并将其转换为机械能，进而通过发电机转化为电能。在风力发电机组中，风电叶片的性能和效率直接影响到整个机组的发电能力和经济效益。

从材料角度来看，风电叶片的制造材料多种多样。风电叶片主要原材料包括基体材料、增强材料、夹芯材料以及其他材料等。

风电叶片结构关键材料

（资料图来源：《国际先进材料与制造工程学会》）

基体材料

基体树脂是整个叶片材料的“包裹体”，目前主要用于生产风电叶片的复合材料中。在叶片中，基体树脂包裹着纤维材料和夹芯材料，起着粘结、支持、保护增强材料和传递载荷的作用，还可提供韧性和耐久性，是成本占比最大的风电材料。

当前主流的生产风电叶片基体树脂分为环氧树脂、乙烯基酯树脂和不饱和聚酯树脂。其中环氧树脂由于良好的力学性能、耐化学腐蚀性和尺寸稳定性是最为常见的基体树脂。出于对力学性能和生产效率的更高追求，产业界也在持续研究开发新型树脂体系，最有代表性的有聚氨酯树脂、生物基尼龙56、尼龙66等。

1、环氧树脂

在基体材料中，环氧树脂是复合材料中应用最广泛的树脂体系。环氧树脂指分子中含有两个以上环氧基团的一类聚合物的总称，是环氧氯丙烷与双酚A 或多元醇的缩聚产物。环氧树脂具有其具有良好的力学性能、耐化学腐蚀性和尺寸稳定性，更有利于叶片在严苛的环境下保证运作效率和使用寿命，在风电叶片中普遍应用。但具体应用时需由基础环氧树脂与固化剂、助剂、稀释剂等深加工制成，形成风电专用环氧树脂体系。通过在基础环氧树脂混入不同类型和比例的固化剂、稀释剂、助剂等也可以应用于电子电气、新型复合材料等用途。

风电用环氧树脂根据与增强材料复合工艺不同分为灌注树脂、手糊树脂、模具树脂、胶粘剂、风电叶片大梁用预浸料树脂、风电叶片大梁用拉挤碳板树脂等。风机叶片用环氧树脂灌注体系应具备粘度低、适用期长、浸透性好、固化物力学强度高，韧性好等特点，目前多数风电叶片厂家采用真空灌注环氧树脂。在拉挤成型工艺中，环氧树脂因为优异的力学性能、耐热性能、耐腐蚀性能和固化过程稳定等特点仍然是首选的基体树脂，短期难以替代。

（资料图：道生天合）

2、聚氨酯树脂

聚氨酯树脂契合叶片轻量化趋势，同时可以加快生产效率。从树脂的发展趋势来看，降低制造成本从而达到整个体系的降本也是一个重要方向，聚氨酯树脂被认为是一个比较有潜力的方向，核心是能够缩短叶片生产时间提升效率，同时降低叶片的重量约5%。从力学性能来看，聚氨酯树脂的拉伸强度相比环氧树脂提高了18%，拉伸模量提高20%，断裂伸长率略高于环氧树脂。聚氨酯具有更为优异的机械性能和耐疲劳性能，固化快，加工性能好，与增强用玻璃纤维和碳纤维有更好的粘接力，有助于提高生产效率和降低生产成本。据统计，聚氨酯树脂用量低于环氧树脂，固化效率提高40%，符合树脂技术的发展趋势。

（资料图：康达新材）

3、尼龙66及生物基尼龙56

尼龙66（聚酰胺66）是具备优异加工性能的工程塑料，针对其干态和低温下抗冲击强度低，吸水率大易影响制品的稳定性等缺点，通常以高性能纤维与尼龙66混杂以制备性能优异的复合材料。生物基聚酰胺56（尼龙56）由戊二胺和己二酸聚合而得，两种单体均可利用可再生资源制备。

生物基尼龙56具有轻量化、高强度、耐高温、高耐磨、耐腐蚀等特点，可凭借原料可再生、产品可回收、成本可竞争的优势，产品性能接近通用型聚酰胺66，可应用于风电领域，是一种较有前景的新型材料，特别是在碳中和背景下，生物基可回收可再生将是趋势。

增强材料

增强材料是叶片结构刚度和强度保证。增强材料是用于加强制品力学性能或者其他性能的材料，其增强效应取决于被增强材料的相容性。高强度，常选择高模量和耐热的纤维状材料及织物，有利于提高制品性能。

增强材料主要有玻璃纤维和碳纤维两种。风电叶片材料经历了木质材料-金属材料-复合材料的演变过程，目前已完全使用复合材料，而玻纤因为其优异的性能同时兼顾经济性成为大型风力发电机叶片材料的首选。碳纤维是目前已规模化生产的高性能纤维中具有最高比强度和最高比模量的纤维，更高的力学性能和轻量化特点均优于玻纤。

1、玻璃纤维

玻璃纤维是一种性质优异的无机非金属材料，其主要成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化钠等。其最大的特征是抗拉强度大，比同成分的玻璃高几十倍，此外耐热性好，有优良的绝缘性，抗腐蚀能力强。由于这些优异的性能，玻纤及其向下加工制成的玻纤制品有了广泛的应用空间。

玻璃纤维复合材料由于具有轻质高强度的特性，在制品轻量化、资源综合利用等减少碳排放方面具有巨大优势。玻纤作为风电增强材料具有明显优势，主要因为玻纤不仅具备优异的性能，同时兼顾经济性。研究表明，玻璃纤维的密度比钢低67%，比铝合金低10%左右，应用在风电叶片上能大幅降低重量提升发电效率，降低运输成本。玻纤的拉伸强度比金属材料高2~6倍，拉伸模量仅略高于铝合金，目前市场主流的高模量玻纤其拉伸模量达到89Gpa。

叶片大型化的背景下，高模玻纤是玻纤未来发展方向。与普通无碱玻纤相比，高模高强玻纤具有拉伸强度高、弹性模量高、抗冲击性能好、化学稳定性好、抗疲劳性好、耐高温等优良性能。

（资料图：中国巨石）

2、碳纤维

碳纤维是由聚丙烯腈等有机纤维在高温环境下裂解碳化形成的含碳量高于90%的碳主链无结构无机纤维，是目前已规模化生产的高性能纤维中具有最高比强度和最高比模量的纤维，其比重不到钢的1/4，强度却是钢的7~9倍。

碳纤维是一种丝状碳素材料，被称为材料领域的“黑色黄金”，是具有多种优异性能并拥有广泛应用前景的基础性新材料。高比强度、高比模量、低比重的性能特点使得以碳纤维为增强体的复合材料具有出色的增强、减重效果。另外耐腐蚀、耐高温、低膨胀系数、导电等良好的化学稳定性、热稳定性和电性能特点使得 碳纤维可以在诸如高压、高温、高湿、高寒、高腐蚀等恶劣工况环境中使用。

叶片大型化后，碳纤维已经成为必要选择。随着叶片长度的增加，对增强材料的强度和刚度等性能提出了新的要求，玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐显现出性能方面的不足，特别是对于超过100米的叶片。为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架，叶片必须具有足够的刚度。既减轻叶片的质量，又要满足强度与刚度要求，有效的办法是采用纤维进行增强，在发展更大功率风力发电装置和更长转子叶片时，采用性能更好的碳纤维复合材料势在必行。

另外，碳纤维主要原材料是丙烯腈。在碳纤维生产中，首先以丙烯腈为原料，经聚合和纺丝后得到聚丙烯腈原丝，再经过预氧化、低温和高温碳化等步骤生产得到碳纤 维。碳纤维与树脂、陶瓷等材料结合后得到碳纤维复合材料，再经各种成型工艺后应用到下游产品中。

（资料图：中复神鹰碳纤维）

3、碳纤维VS玻璃纤维

玻纤相较于碳纤维有性价比优势，同时高模玻纤新型号的出现增加了其未来的发展潜力，高模玻纤拉伸模量等性能能够比肩碳纤维，同时兼有玻纤的成本优势，在风电渗透率提升过程中仍将扮演重要角色。但当叶片超过一定尺寸后，碳纤维叶片的优势将更加显现，特别是对于追求极致更大叶片的海上风电领域。当叶片超过一定程度，碳纤维比玻璃纤维在材料用量、劳动力、运输和安装成本方面都有显著降低。

夹芯材料

夹芯材料是叶片的关键材料，通常应用在叶片的蒙皮与腹板上。夹芯材料是叶片关键增强材料，通常应用在叶片的蒙皮与腹板上，作为夹层结构来提升结构刚度，防止局部失稳、提高整个叶片的抗载能力。

叶片用的芯材主要包括Balsawood（巴沙木）PVC泡沫和PET泡沫三类。由于巴沙木具有竖直纤维结构，并且有良好的抗压抗剪强度，因此是目前主要的芯材原料。

1、Balsawood（巴沙木）

Balsawood（巴沙木）又称轻木，属于木棉科热带速生树种，全球90%以上的轻木都来自于厄瓜多尔。轻木密度小且生长迅速，常规密度是135~176kg/m³，4~7年可采伐，是提高风电叶片结构刚度的理想夹芯材料。但是由于树木的生产周期较长，且主要依赖于进口，成本波动较大，中国常年受海外限制。

Balsawood（巴沙木）供给受限。全球90%以上的Balsawood（巴沙木）都来自厄瓜多尔。厄瓜多尔肥沃的土壤、年均90英寸的降雨量及热带雨林的充裕日照等自 然条件是巴沙轻木快速成长的重要因素，其他地区均不具备。除此之外，Balsawood （巴沙木）生长周期较长，需要5-7年时间才可由树苗长为90英寸的树木，因此每 次风电需求爆发，Balsawood（巴沙木）都会供不应求。

（资料图：时代新材）

2、PVC泡沫

PVC泡沫因国外叶片技术转让而从进入国内市场，一直是风电叶片芯材的主流产品。由于PVC泡沫技术创新性不足，难以满足更大叶片对夹芯材料 性能提升的需求，因此在设计叶片时开始使用PET泡沫和HPE泡沫替代PVC泡沫。

PVC泡沫主要原材料PVC可通过电石法和乙烯法两种工艺生产。PVC泡沫以乙烯基聚合物为基础, 由PVC、发泡剂、交联剂等塑料助剂等，经过投料、共混、模压、后处理、模压等复杂的工序制成。习惯称为交联PVC泡沫芯材，是复合材料夹层结构的理想芯材。PVC泡沫综合机械性能优异，化学性质稳定，具有很高的性价比，在风电和水上船艇等领域有广泛应用。

（资料图：天晟新材官网）

3、PET泡沫

PET泡沫是近几年来替代PVC的主要芯材，PET泡沫主要原料是PTA和MEG。PET泡沫产业链的源头是石油，石油经过处 理后得到石脑油，石脑油经过催化重整、芳烃抽提、异构化、加氢等一系列工艺后得到PTA和MEG，两者反应生成PET，再对PET采用特定发泡技术加工后得到PET泡沫，具有优异的力学强度、耐热性和可生物降解性能，广泛应用于环保建材、汽车内饰、屋顶隔热、运动器材、风力发电和航天工业等领域。国内PET产量较多，但PET泡沫主要依靠进口。

PET泡沫材质相对较脆，具有良好的耐热性和力学强度。PET泡沫的力学性能优于PVC泡沫，除了在叶片局部可以替代PVC外，还能够替代一部分轻木。另外，PVC泡沫在制造、使用及废弃处理时，都会产生一定程度的环境污染问题，而PET泡沫是可回收的环保材料。

（资料图：法宁格）

据悉，在风电叶片的夹芯材料中，Balsawood（巴沙木）的使用比例为38%，PVC泡沫的使用比例为31%，PET泡沫的使用比例为25%。

其他材料

1、聚醚胺：大型发电叶片制造所需的环氧固化剂

聚醚胺(PEA)是一种新型的精细化工材料，属于脂肪胺大类中的一种，其末端活性官能团为胺基，主链为不同分子量聚环氧丙烷/环氧乙烷，亦称端氨基聚醚。由于端氨基的反应活性，使其能与多种反应基团作用，凭借其低粘度、较长适用期、减少能耗、高强度、高韧性、抗老化、优良防水性能等多方面优异的综合性能，在新能源、建筑、新材料等众多行业领域应用广泛。在风电领域，目前所有的工业化胺类固化剂中，仅有聚醚胺可以满足大型发电叶片制造的性能和工艺性要求。

2、酸酐固化剂：拉挤板材适用的新型固化剂

由于轻量化和强度要求，拉挤工艺在未来将快速发展。酸酐固化剂更适用于拉挤复合材料，原因有三：

其一，由于拉挤成型工艺要求基体树脂具有适用期长、凝胶时间短、固化速度快等特点，而传统灌注体系常用的脂肪胺类固化剂属于常温固化剂，拉挤要求的快速固化反应过程中耐温性不足。相对而言，酸酐固化剂属于加热固化剂（常常加入叔胺促进固化，提高活性与速度），耐温性更强。

其二，除了拉挤工艺所要求的速度外，作为拉挤树脂的粘度也是重要的考察参数，混合料粘度高，势必影响树脂对纤维的浸润效果。液体酸酐固化剂较环氧树脂粘度更低。

其三，根据拉挤工艺的特点，树脂混合物在常温条件下要有较长的可使用期，一般要求6小时以上，胺类固化剂反应活性过高，而液态酸酐固化剂与环氧树脂混合即使在促进剂存在下也有较长的可使用期，可满足要求。

3、聚氨酯涂料：叶片及塔筒的主要防护材料

目前可应用于风电叶片的树脂主要有聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、氟碳树脂、有机硅树脂及环氧树脂。

其中，聚氨酯树脂体系是目前风电叶片涂料中使用最多的树脂，主要是因为聚氨酯具有高弹性和耐用性，在受到冲击时能起到吸收能量的作用，而且聚氨酯涂料相比于其他树脂基体涂料具有优异的附着力、优异的耐磨性、良好的耐高低温性以及低固化温度等优点，且相同固含量下价格较低，具有一定成本优势，是应用最广泛的风电叶片涂料。但是，单一使用聚氨酯树脂也有一定局限性。

聚氨酯树脂（包括丙烯酸聚氨酯）在高低温柔韧性、耐磨性、防风沙雨蚀方面表面优异，但是在耐候性及防覆冰性能方面不如有机氟硅树脂，而环氧树脂则可以提供优异的防腐性能及层间附着力。因此通常针对不同树脂的优缺点合理搭配制成配套涂层体系，从而达到更优异的防护效果。

复合材料——新型材料

大型风电叶片作为风电设备的关键组成部分，其设计与制造技术的进步对于提升风电设备的性能、降低成本以及推动风电产业的可持续发展具有重要意义。复合材料作为一种轻质高强、耐候性好的新型材料，在大型风电叶片的制造中发挥着越来越重要的作用。

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观尺度上组成的具有新性能的材料。在风电叶片制造中，常用的复合材料主要包括玻璃纤维增强塑料（GFRP）、碳纤维增强塑料（CFRP）和芳纶增强塑料（AFRP）等。

这些复合材料具有以下性能优势：

轻质高强：复合材料具有较低的密度和较高的比强度，可以大幅度降低风电叶片的重量，同时保持其良好的力学性能。这有助于降低风电设备的制造成本，提高风能利用效率。

耐候性好：复合材料具有良好的耐候性，能够在恶劣的环境条件下长期稳定运行。这降低了风电设备的维护成本，提高了其使用寿命。

可设计性强：复合材料可以根据风电叶片的设计要求，通过调整材料的配比、纤维方向和铺层方式等参数，实现风电叶片的定制化设计。这有助于满足风电设备在不同工况下的性能需求。

（资料图：天顺复材）

代表企业

中国巨石

中国巨石股份有限公司(简称“中国巨石”)，是中国建材股份有限公司(简称“中国建材”) 玻璃纤维业务的核心企业，以玻璃纤维及制品的生产与销售为主营业务，是我国新材料行业进入资本市场早，企业规模大的上市公司之一。

为了满足高端客户对高模量玻璃纤维的特殊需求，巨石集团成功开发了E8高模量玻璃纤维，它实现了玻璃纤维领域的又一大革命性突破。E8玻璃纤维具有比S玻璃纤维更高的模量和抗疲劳性，是首款实现池窑化量产的超高模量玻璃纤维，显著提升了高模量玻纤的性价比和市场竞争力，真正实现了高模量玻纤的规模化工业应用。E8提供了一个全新的技术平台，能为特定客户的高模量需求提供全新的解决方案。以风力叶片应用为例，E8玻璃纤维可以给风能市场带来巨大的价值，进一步推动大型风力叶片的革新设计与应用，使叶片制造商能够生产叶型更长、抗疲劳更好、风区适应性更广的风力叶片。

（资料图：中国巨石高模量玻璃纤维E8）

中材科技

中材科技股份有限公司是经原国家经济贸易委员会批准，由原中国中材集团公司作为主发起人，于2001年12月28日在国家工商行政管理总局注册设立的股份制企业。2006年11月20日，中材科技股份有限公司A股股票在深圳证券交易所上市。2016年两材重组后，隶属于中国建材集团有限公司。

公司主要从事特种纤维复合材料及其制品的制造与销售，并面向行业提供技术与装备服务。主要产品为风电叶片、高压复合压力容器、高温过滤材料、微纤维湿法制品、特种玻璃纤维、汽车用复合材料、非矿深加工产品，并从事万吨级玻璃纤维池窑拉丝工程和大型非矿工程的设计、关键装备制造及技术服务。

（资料图：中材科技复合材料风电叶片）

康达新材

康达新材料（集团）股份有限公司公司成立于1988年，深交所主板上市公司。公司业务范围覆盖装备制造、新能源、轨道交通、航空航天、电子信息、半导体、国防军工以及低碳环保等新兴产业等。

2007年康达新材风电叶片胶进入风电市场，2008年中国首家风电叶片胶粘剂通过GL认证，迄今已为叶片行业提供结构胶8.5万余吨，服务于国内20余家叶片企业，50多个基地，风电叶片胶粘剂在叶片使用超8万套，近25多万支叶片。

产品：叶片合模结构胶（WD3135/3137） 、叶片灌注树脂（WD0135/0137）、叶片铺层喷胶（WD2078/2178）、密封胶带（209系列） 。

（资料图：康达新材）

吉林化纤

吉林化纤始建于1959年，1964年建成投产，下辖及管理两家上市公司、2家外埠公司等40余家企业，是以传统纤维产业、战略新兴产业为主的大型国有企业，主导产品包括人造丝、腈纶纤维、竹纤维、碳纤维及复材制品。公司现有人造丝产能9万吨/年，占全球的30%；腈纶纤维产能53万吨/年，占全球的40%；竹纤维产能15万吨/年；碳纤维产业链产能24万吨。

产品：

12k碳纤维、6k碳纤维、3k碳纤维应用在航空航天，风电叶片，体育休闲，汽车应用，压力容器，建筑补强，碳碳复材，电子电气，船舶应用，电缆芯应用，轨道交通等领域。

白山碳纤维原丝应用在风电叶片、汽车轻量化、轨道交通、机械制造、土木建筑、文体用品、电加热等领域。

（资料图：吉林化纤12k碳纤维）

山东玻纤

山东玻纤集团股份有限公司为山东能源集团控股经营的国有上市企业，注册资本金6亿元。主营业务为玻璃纤维生产及其初加工、热电产品两大类。目前共有6条玻纤生产线，设计产能41万吨/年，位居全国第四。

产品：风电用无捻粗纱

风电用无捻粗纱与环氧树脂、乙烯基树脂、不饱和聚酯树脂等相容，所做的风能织物具有浸透速度快、强度、模量高的特点。山东坡纤可提供ECR玻璃、ECER玻璃配方的产品。

天晟新材

常州天晟新材料集团股份有限公司成立于1998年，公司于2008年6月改制为股份有限公司。2011年1月25日，公司在深交所创业板成功上市，股票简称天晟新材。天晟主要从事高分子发泡的研发、生产和销售，产品包括软质发泡材料、结构泡沫材料以及上述材料的后加工产品。

天晟自主研发的高新技术产品——结构泡沫材料Strucel系列产品，已成功跨入风力发电、轨道交通、船舶制造、节能建筑等领域，填补了国内空白。

结构泡沫材料包括Stucell P、成套芯材（Kits）。

结构泡沫材料是以塑料（PVC、PET等）等为基础，通过贯穿的芳香酰胺聚合网络修正的发泡材料，与软质发泡材料一样密度很低，但其具有很高的强度，适用于要求材料轻、强度高的高端领域，主要应用于风力发电、轨道交通、游艇、航空航天、建筑节能等行业。

Stucell PVC是一种刚性交联闭孔的PVC结构泡沫材料，为网状结构分子链，具有优良的比刚度，比强度，综合机械性能优异，化学性质稳定，可以与多种面层材料组合形成夹芯三明治复合材料，可以大大增强力学性能的同时，几乎不增加重量，是理想的夹芯材料，已广泛应用于采用夹芯复合材料的几乎每一个领域，包括风能叶片、船舶游艇、交通车辆、运动器材等市场。

PVC结构泡沫是通过模压发泡成型，一般情况下是以片材的形式供货。在风电叶片制造等领域，由于产品本身尺寸很大，且形状是渐变的，需要很多形状各异的芯材拼接而成，因此很多用户要求根据他们提供的图纸把芯材切成不同的异形件形状，通过成套芯材的概念，每一片芯材都是预先切割，按要求公差进行定形、编号，以将其准确地放入模具中指定位置。大大提升了客户现场效率，缩短生产周期以及降低仓储库存。

（资料图：天晟新材官网）

来源综合自：乐晴智库精选、未来智库、 国华投资、海洋清洁能源资讯、复材生态圈及各企业官网