與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電具有風(fēng)速大、資源豐富、不占耕地等顯著優(yōu)勢，將成為全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，海上風(fēng)電葉片將成為市場需求新增量。根據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會全球海上風(fēng)電報告（2021），目前全球海上風(fēng)電裝機容量僅僅達到2050年實現(xiàn)碳中和目標所需海上風(fēng)電裝機容量（2000 GW）的2%。未來10年，海上風(fēng)電新增裝機容量將達到235 GW，約當前市場規(guī)模的7倍。至2021年10月底，中國海上風(fēng)電裝機容量已超過英國，成為全球累計裝機容量最大的海上風(fēng)電市場。與陸上風(fēng)電環(huán)境相比，海上風(fēng)電環(huán)境更加復(fù)雜和嚴酷，主要體現(xiàn)在以下2點：

1）海面大氣區(qū)的高濕度高鹽度、飛濺區(qū)與潮差區(qū)的干濕交替、浸沒區(qū)的海水浸泡和海生物附著等更強腐蝕環(huán)境；

2）臺風(fēng)、海浪以及撞擊等。

1 高性能纖維復(fù)合材料

高性能纖維主要包括芳香族聚酰胺纖維、超高分子量聚乙烯纖維、聚苯硫醚纖維、聚酰亞胺纖維、碳纖維、陶瓷纖維、玄武巖纖維、硼纖維、氧化鋁纖維、非氧化物陶瓷纖維（SiC、SiBCN、SiCZr和SiCAl）等?；w主要包括環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂、氰酸酯樹脂、苯并噁嗪樹脂、聚酰亞胺、聚醚酰亞胺、芳炔樹脂、聚醚醚酮、聚醚酮酮、鈦合金等。增強方式主要包括纏繞工藝、注塑工藝、滾塑工藝、模壓成型工藝、樹脂傳遞模塑成型和增材制造（3D打?。┑?/p>

2 高性能纖維復(fù)合材料在海上風(fēng)電的應(yīng)用

2.1 風(fēng)電葉片

風(fēng)電葉片是風(fēng)電裝備的關(guān)鍵部件之一，其成本約占整個風(fēng)力發(fā)電裝備成本的20%。隨著近年來風(fēng)電技術(shù)的快速發(fā)展，風(fēng)機單機容量逐漸增大，風(fēng)電設(shè)備環(huán)境日益復(fù)雜及嚴峻，對風(fēng)電葉片的長度、重量、性能和成本要求越來越高，葉片材料逐漸由單組分過渡到多組分、由玻璃纖維過渡到碳纖維及混雜纖維、由熱固性復(fù)合材料轉(zhuǎn)向熱塑性復(fù)合材料。我國于2020年量產(chǎn)應(yīng)用的90 m長的碳纖維葉片，其重量降低10%，附加值比普通葉片高出20%。2022年12月，中國船舶集團洛陽雙瑞風(fēng)電葉片有限公司順利下線SR260型葉片（見圖2），葉片長260 m，葉片掃風(fēng)面積超過5.3萬平米，相當于7.4個標準足球場面積，具備強勁的防雷電、抗腐蝕功能。德國Repower公司專為海洋風(fēng)電場設(shè)計的5 MW風(fēng)機63 m葉片由碳纖及玻纖混雜而成，單片葉片質(zhì)量為18 t，年發(fā)電量約1.7×107 kW·h。

2.1.1風(fēng)電葉片的大型化趨勢

風(fēng)電葉片是捕獲風(fēng)能最重要的部件，葉片大型化已成為風(fēng)電行業(yè)的共識，是降低風(fēng)電成本的重要手段。在同等風(fēng)速情況下，葉片越長，掃風(fēng)面積越大，能捕獲更多的風(fēng)能，發(fā)電量也相應(yīng)增大。單個陸上風(fēng)電機組發(fā)電功率由原來的 2～3 MW提高到 4～7 MW，單個海上風(fēng)電機組的發(fā)電功率更是提升到 9～10 MW，甚至更大。隨著風(fēng)電機組功率的提升，葉片長度隨之快速增長，進入“百米級時代”。2021 年 2 月，中國船舶集團有限公司10 MW 海上風(fēng)機正式下線，葉片長度達 102 m，這是我國首個長度超過百米的風(fēng)機葉片; 同年9月，上海電氣風(fēng)電集團股份有限公司長達102 m的海上風(fēng)電葉片問市。2022 年，我國連續(xù)下線大容量風(fēng)電機組，不斷刷新記錄，5月，浙江運達風(fēng)電股份有限公司8～10 MW海上風(fēng)機葉片長度達 110 m; 7月，明陽智慧能源集團股份有限公司大兆瓦抗臺風(fēng)型海上風(fēng)機葉片長達 115. 5 m; 9 月，風(fēng)電機組再度突破，海神平臺EW8. X－230 機組在山東渤中海上風(fēng)電項目中完成首臺安裝，葉片長112 m，風(fēng)輪直徑達230 m，是全球已吊裝的最大風(fēng)輪直徑風(fēng)機; 12月，全球最長風(fēng)電葉片雙瑞SR260 成功下線，葉輪直徑達 260 m，該葉片將安裝在中國船舶集團海裝股份有限公司即將下線的全球最大單機功率 18 MW 海上風(fēng)機機組中。

2.1.2風(fēng)電葉片的輕量化趨勢

通過使用碳纖維等輕質(zhì)高強材料，海上風(fēng)電葉片的重量得以減輕。輕量化不僅降低了葉片在運輸和安裝過程中的成本和復(fù)雜性，還減輕了對風(fēng)電機組其他部件的壓力，延長了整個設(shè)備的使用壽命。在滿足剛度和強度的前提下，碳纖維質(zhì)量比玻璃纖維材質(zhì)的葉片少30%以上，所以采用碳纖維材料制備的風(fēng)電葉片在保證葉片在長度增加的同時，可以明顯減重，還能提高風(fēng)電葉片的耐候性。因此在超大型風(fēng)電機組葉片制造中，建議使用高性能碳纖維，在確保結(jié)構(gòu)強度的同時避免葉片在風(fēng)載作用下發(fā)生變形。

2.1.3風(fēng)電葉片的高強化趨勢

風(fēng)電葉片通常需要在冷、熱、沙和海水侵蝕的惡劣環(huán)境中工作。除了主承重結(jié)構(gòu)的主梁區(qū)域外，在非承重或次承重結(jié)構(gòu)中使用碳纖維復(fù)合材料的需求尤為迫切。例如，為了提高葉片根部材料的斷裂強度和承載強度，降低施加在螺栓的動載荷，德國 Aerodyn Energiesysteme Gmbh公司在葉片根部使用了碳纖維復(fù)合材料。丹麥LM公司在葉尖中使用碳纖維復(fù)合材料，以降低葉片過度極化而導(dǎo)致的葉尖撞擊塔架的風(fēng)險。LM公司在葉片的前緣和后緣部分使用碳纖維復(fù)合材料來調(diào)節(jié)葉片的固有頻率，從而有效防止雷擊造成的損壞。美國能源部開發(fā)了使用碳纖維復(fù)合材料作為蒙皮的風(fēng)力渦輪機葉片，實踐結(jié)果表明，它們可以減少作用在內(nèi)部支撐翼梁上的力和扭矩，并提高葉片表面強度和耐腐蝕性。

2.2 風(fēng)機導(dǎo)流罩

在風(fēng)電機組中，導(dǎo)流罩具有保護風(fēng)機裝置及減阻匯流的作用，海上風(fēng)電對導(dǎo)流罩防腐性能、剛度，高性能纖維復(fù)合材料在海上風(fēng)電的應(yīng)用強度及輕量化有強烈的需求。隨著風(fēng)機機型的持續(xù)增大，海上風(fēng)電對風(fēng)機導(dǎo)流罩的尺寸、運輸、成本及綜合性能要求越來越高。風(fēng)機CFRP導(dǎo)流罩在滿足剛度性能的條件下，與風(fēng)機鋼制導(dǎo)流罩作對比，最大應(yīng)力降幅為24%，匯流風(fēng)量增幅為9.1%。

2.3 栓接連接件

海上風(fēng)電惡劣的腐蝕環(huán)境及復(fù)雜的載荷環(huán)境對風(fēng)機基礎(chǔ)錨桿組件、風(fēng)電葉片螺栓組件、混塔連接件等栓接連接件提出了更高的性能要求，常規(guī)金屬栓接連接件因有限的防腐性能而應(yīng)用受到限制。具有質(zhì)輕高強、耐腐蝕、抗疲勞、電氣絕緣等顯著優(yōu)勢的高性能纖維復(fù)合材料栓接連接件在海上風(fēng)電扮演著越來越重要的角色?，F(xiàn)有高性能復(fù)合材料栓接連接件多為小規(guī)格（一般M20以下），通常利用高性能纖維增強熱塑性樹脂基復(fù)合材料及連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料等材料體系經(jīng)過熱拉擠成型、對模成型、機械加工、模壓成型、纏繞成型、三維編制、注塑成型和拉擠-纏繞成型等方式制備。復(fù)合材料栓接連接件的某些力學(xué)性能（如抗拉強度等）達到了常規(guī)金屬栓接連接件的性能要求，并有望突破尺寸及性能瓶頸。熊甲林利用纏繞-模壓成型法制備了碳纖維/ SE300氰酸酯樹脂M6螺栓（見圖3）。朱波等發(fā)明了由拉擠成型工藝-二次熱壓塑化加工的一種熱塑性復(fù)合材料螺栓（見圖4），包括熱塑性混雜纖維增強芯（厚度4 mm～6 mm）、表面熱塑性混雜纖維纏繞螺紋層（厚度2 mm～3 mm）。楊帆等發(fā)明了一種連續(xù)碳纖維復(fù)合材料螺栓（見圖5），以連續(xù)碳纖維T700作為增強體，以咪唑環(huán)氧樹脂作為基體制成預(yù)浸料，通過預(yù)浸料固化成型連續(xù)碳纖維復(fù)合材料M5、M6或M8六角頭螺栓。該復(fù)合材料螺栓和±45°/0°的碳纖維增強板配合時，單個M6螺栓的剪切力最大可達6.33 kN，界面剪切強度、拉伸強度、彎曲強度及斷裂延伸率分別為 334.65 MPa 、 2 115.5 MPa 、1 415.5 MPa及1.32%。圖3 碳纖維/SE300 氰酸酯樹脂 M6 螺栓圖4 一種熱塑性復(fù)合材料螺栓的結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 其他應(yīng)用

在風(fēng)電運維無人機方面，我國已達到世界領(lǐng)先水平，所用材料通常為國產(chǎn)碳纖維及碳纖維與玻璃纖維、芳酰胺纖維、超高分子量聚乙烯纖維、玄武巖纖維等纖維組成的混雜復(fù)合材料。中國電子科技集團公司第53研究所研制的復(fù)合材料連接軸具有高強度、高剛性和高疲勞強度等優(yōu)點，產(chǎn)品綜合指標達到或超過國外同類產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于1.0 MW和1.3 MW等不同風(fēng)力發(fā)電機。國網(wǎng)智能研究院通過高強度玻璃纖維混雜技術(shù)，研制了具有一定價格優(yōu)勢的高強度玻璃纖維/碳纖維混雜增強復(fù)合材料芯導(dǎo)線，達到國際先進水平。