叶片材料的选择及应用前景

用于制造叶片的材料的选择原则，首先是要求其具有良好的力学、热学、化学特性，包括高强度、高刚度、低密度、长寿命、耐腐蚀等，同时要求性价比高、易于加工且较少产生对环境的污染。

1.叶片的常用材料

叶片的常用材料大致有以下几种。

（1）木材

采用木材制作的叶片，不易制造成扭曲型。此类叶片多由几层木板粘压而成，与轮毂连接用金属板法兰和螺栓形式。采用木制叶片需要用强度好的整体木方作为叶片纵梁，承担叶片在工作时的载荷。叶片肋梁木板与纵梁木板用胶和螺钉可靠地连接，其余叶片空间用轻木或泡沫塑料填充，用玻璃纤维覆面，外涂环氧树脂。木材一般不用于大型风力机叶片。

（2）钢材

一些叶片采用钢管或D型钢做纵梁、钢板做肋梁，内填充泡沫塑料，外覆玻璃钢蒙皮的结构形式。叶片纵梁的钢管及D型钢从叶根至叶尖的截面应逐渐变小，以满足扭曲叶片的要求，并减轻叶片重量。

（3）铝合金

铝合金用于等弦长挤压成形叶片。易于制造，可连续生产，将其截成需要的长度，又可按设计要求进行扭曲加工，叶根和轮毂连接轴及法兰通过焊接或螺栓连接实现。铝合金叶片重量较轻且易于加工，但难以制作从叶根至叶尖渐缩形式的叶片。

（4）玻璃纤维复合材料

玻璃纤维复合材料（Glass Fiber Reinforced Plastic，GFRP），是以环氧树脂、不饱和树脂等塑料为基体，掺入玻璃纤维而做成的增强材料。GFRP材料具有强度高、重量轻、耐老化、可加工性较好等特性，在目前的风轮叶片制造中得到广泛应用。GFRP材料可用于制造叶片的表面和内部结构，叶片的填充部分多为泡沫塑料。GFRP材料的表面还可以通过上浆和涂覆改进质量。

（5）碳纤维复合材料(www.xing528.com)

随着叶片长度的不断增加，叶片刚度成为重要的设计指标。研究表明，碳纤维（CarbonFiber，CF）复合材料叶片刚度是玻璃钢复合材料叶片的2～3倍。目前，由于CF材料的价格因素影响了其在风轮叶片方面的应用，但随着国内外有关研究的进展，CF材料在大型叶片设计和制造方面有很好的应用前景。

目前，一些新型玻璃纤维增强复合材料因其重量轻、比强度高、可设计性强、性价比高等方面的因素，已成为目前大型风轮叶片的主流材料。在大型风轮叶片设计中，木材主要用于叶片内部的夹心结构，而钢材主要用于叶片结构的连接件，很少用于叶片的主体结构。

2.叶片材料的基本特性

表6-3给出了一些常用于叶片制造的材料及其相应的结构特性。为便于比较，表中给出了各种材料的耐压比强度、疲劳强度与比模量等结构特性指标，可供设计参考。

表6-3 各种材料的结构特性比较

①纤维体积含量为60％。

从表6-3中可以看出，虽然复合材料拉伸强度比金属低，但其比强度、比模量都比较高。表6-4反映了几种长度与不同材料叶片的重量的关系。

表6-4 叶片长度与不同材料叶片重量的关系

从上述分析可以看出，碳纤维复合材料的特性相对具有较多优势，但是由于其价格较高（约为玻璃纤维复合材料的10倍）在叶片制造中应用较少，目前广泛使用的仍是玻璃纤维复合材料。