沈真

近來(lái)，全球風(fēng)電葉片碳纖維年用量超過(guò)2萬(wàn)t的現(xiàn)象在業(yè)內(nèi)引起了大量關(guān)注，從碳纖維生產(chǎn)企業(yè)到復(fù)合材料生產(chǎn)廠家都紛紛涌入風(fēng)電行業(yè)，希冀在這個(gè)行業(yè)撈到一桶金。筆者希望通過(guò)本文與大家分享對(duì)碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)電葉片中大量應(yīng)用的分析，并再一次共同探討國(guó)產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)化之路。

1 風(fēng)電葉片碳纖維用量劇增現(xiàn)象的剖析

2015年，就在一些權(quán)威大佬認(rèn)為碳纖維在風(fēng)電葉片大量使用碳纖維為時(shí)尚早、風(fēng)電行業(yè)領(lǐng)頭企業(yè)維斯塔斯（VESTAS）瀕臨破產(chǎn)之際，碳纖維在風(fēng)電葉片上的全球應(yīng)用就像2009年波音787首飛成功一樣，用量急劇增加，繼航空用碳纖維用量需求達(dá)到2萬(wàn)t之后，卓爾泰克（ZOLTEK）的大絲束碳纖維變成市場(chǎng)上的槍手貨，需求超過(guò)2萬(wàn)t，VESTAS也轉(zhuǎn)虧為盈。

在風(fēng)電葉片的碳纖維用量中，VESTAS提供了80%以上的市場(chǎng)份額，VESTAS在中國(guó)的風(fēng)電葉片碳纖維用量見(jiàn)表1。2018年，江蘇澳盛復(fù)合材料科技有限公司和威海光威復(fù)合材料股份有限公司，2家的碳纖維用量即將突破萬(wàn)噸，市場(chǎng)上大絲束碳纖維呈現(xiàn)供不應(yīng)求態(tài)勢(shì)。根據(jù)全球碳纖維市場(chǎng)報(bào)告，筆者將其中有關(guān)風(fēng)電葉片的數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表2。在此，對(duì)風(fēng)電葉片用碳纖維與其制品的單價(jià)進(jìn)行了調(diào)整，從而其產(chǎn)值也相應(yīng)發(fā)生了變化。2015年以前，碳纖維應(yīng)用在風(fēng)電葉片的工藝主要采用預(yù)浸料或織物的真空導(dǎo)入，部分采用小絲束碳纖維，因此平均價(jià)格高一些；近年來(lái)主要采用大絲束碳纖維拉擠梁片，價(jià)格降低了很多。雖然碳纖維的用量和制件產(chǎn)量急劇增加，但創(chuàng)造的產(chǎn)值實(shí)際上卻降低了。這是因?yàn)轱L(fēng)電葉片（主要是大梁）碳纖維復(fù)合材料制品價(jià)格大幅降價(jià)，才成就了碳纖維用量的急劇增加，反映了引導(dǎo)工業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用碳纖維的方向——“買(mǎi)得起”。

圖1所示是風(fēng)電葉片大梁采用的3種工藝：預(yù)浸料鋪貼真空袋壓成型、織物預(yù)成型+真空導(dǎo)入、拉擠梁片。前2種工藝在業(yè)界用得比較多，但這2種工藝效率低、成本高，而研究表明，按這樣的材料與工藝，只有40m以上的風(fēng)電葉片使用碳纖維替代玻璃纖維才可能被用戶接受。實(shí)現(xiàn)風(fēng)電葉片大梁低成本化的表觀主因是采用了高效、低成本、高質(zhì)量的拉擠梁片工藝，但究其根源VESTAS在大梁結(jié)構(gòu)的革命性創(chuàng)新設(shè)計(jì)才使拉擠梁片的使用成為可能。圖2所示是VESTAS的主梁結(jié)構(gòu)示意圖。這種設(shè)計(jì)理念把整體化成型的主梁主體受力部分拆分為高效、低成本、高質(zhì)量的拉擠梁片標(biāo)準(zhǔn)件，然后把這些標(biāo)準(zhǔn)件一次組裝整體成型。這種設(shè)計(jì)和工藝的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為：①通過(guò)拉擠工藝生產(chǎn)方式大大提高了纖維體積含量，減輕了主體承載部分的質(zhì)量；②通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)件的生產(chǎn)方式大大提高了生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品性能的一致性和穩(wěn)定性；③大大降低了運(yùn)輸成本和最后組裝整體成型的生產(chǎn)成本；④預(yù)浸料和織物都有一定的邊角廢料，拉擠梁片及整體灌注極少。按這種設(shè)計(jì)和工藝制造的碳纖維主梁，兆瓦級(jí)的葉片均可使用，大大擴(kuò)展了碳纖維的使用范圍。

風(fēng)電葉片碳纖維用量的急劇增加證明了：碳纖維在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的推動(dòng)力必須是生產(chǎn)出全壽命成本優(yōu)于其他材料結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，即“買(mǎi)得起”的碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品，關(guān)鍵是“買(mǎi)得起”。

隨著對(duì)清潔能源的需求越來(lái)越大，國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)電葉片的需求也越來(lái)越大，面對(duì)這一巨大的市場(chǎng)，當(dāng)前大絲束碳纖維供不應(yīng)求，ZOLTEK正在積極擴(kuò)產(chǎn)，國(guó)產(chǎn)碳纖維在風(fēng)電葉片市場(chǎng)可以有所作為，國(guó)產(chǎn)碳纖維生產(chǎn)企業(yè)必須把握這一商機(jī)。

2 風(fēng)電葉片使用國(guó)產(chǎn)碳纖維的機(jī)會(huì)

風(fēng)電葉片的極大商機(jī)吸引了諸多國(guó)產(chǎn)碳纖維和風(fēng)電葉片生產(chǎn)廠商的眼球，紛紛躍躍欲試試圖進(jìn)入這一領(lǐng)域，瓜分一塊蛋糕。如上所述，碳纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片工藝有3種，其中引發(fā)碳纖維用量急劇增長(zhǎng)的工藝就是拉擠梁片，由于前2種工藝成本高，雖有一定的需求，但增長(zhǎng)不會(huì)太快，因此國(guó)產(chǎn)碳纖維及其制品生產(chǎn)商家瞄準(zhǔn)的是采用拉擠梁片的工藝方法和所用的碳纖維。國(guó)產(chǎn)碳纖維進(jìn)入風(fēng)電葉片應(yīng)用有2種方式：

①研發(fā)出與ZOLTEK大絲束碳纖維性能相當(dāng)，成本接近或更低的碳纖維，直接進(jìn)入VESTAS供應(yīng)鏈（畢竟VESTAS的用量占據(jù)該領(lǐng)域碳纖維用量的80%以上）或采用類(lèi)似設(shè)計(jì)與工藝方法的其他葉片生產(chǎn)商；

②借鑒VESTAS的經(jīng)驗(yàn)，避開(kāi)VESTAS的專(zhuān)利，按國(guó)產(chǎn)碳纖維的性能特點(diǎn)，完全自主開(kāi)發(fā)新的主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝生產(chǎn)模式，研發(fā)出全壽命成本接近或低于VETAS葉片的產(chǎn)品。

3 性價(jià)比與ZOLTEK大絲束相當(dāng)?shù)奶祭w維

無(wú)論是成為VESTAS供應(yīng)商還是采用類(lèi)似設(shè)計(jì)與工藝方法的其他葉片生產(chǎn)商，前提條件都是研發(fā)出性價(jià)比與ZOLTEK大絲束相當(dāng)?shù)奶祭w維，包括48k以上的大絲束碳纖維或24k的濕噴濕紡小絲束碳纖維。

上述2種途徑中首選一定是與ZOLTEK相當(dāng)?shù)拇蠼z束碳纖維，但大絲束碳纖維的工藝技術(shù)與國(guó)內(nèi)熟悉的小絲束碳纖維差別很大，即使東麗株式會(huì)社（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“東麗”）探索了多年仍未取得突破，為了占領(lǐng)大絲束碳纖維市場(chǎng)，斷然采取并購(gòu)ZOLTEK的方式。國(guó)內(nèi)碳纖維界多年前即認(rèn)識(shí)到大絲束碳纖維在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的前景，只是苦于缺乏此項(xiàng)技術(shù)，產(chǎn)業(yè)遲遲未有進(jìn)展。近年來(lái)吉林精功碳纖維有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“吉林精功”）和上海石化在大絲束碳纖維領(lǐng)域取得了技術(shù)突破，特別是吉林精功已實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，但產(chǎn)品性能及其穩(wěn)定性與ZOLTEK尚有差距，進(jìn)入風(fēng)電葉片應(yīng)用依然難度很大。

國(guó)內(nèi)在12k小絲束T300級(jí)的開(kāi)發(fā)方面已有多年歷史，其性能及其穩(wěn)定性與ZOLTEK大絲束碳纖維相比應(yīng)該不相上下，近年來(lái)又在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出24k以上的濕噴濕紡小絲束碳纖維，其性能也應(yīng)不相上下，只是在成本上與ZOLTEK大絲束碳纖維無(wú)法匹敵。但在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上考慮到進(jìn)口稅和增值稅，目前國(guó)產(chǎn)24k T300級(jí)小絲束碳纖維還略有優(yōu)勢(shì)，因此很多國(guó)內(nèi)風(fēng)電葉片生產(chǎn)商對(duì)采用國(guó)產(chǎn)碳纖維躍躍欲試，但風(fēng)電葉片畢竟對(duì)安全性有很高的要求，ZOLTEK大絲束碳纖維在風(fēng)電葉片中已有成熟的應(yīng)用，而如何評(píng)定國(guó)產(chǎn)碳纖維與ZOLTEK碳纖維的等同性是所有風(fēng)電葉片生產(chǎn)商最大的疑慮。

國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)80年代引進(jìn)海豚直升機(jī)生產(chǎn)線后，一直試圖將從法國(guó)進(jìn)口的預(yù)浸料國(guó)產(chǎn)化，由于缺乏等同性的評(píng)價(jià)體系，當(dāng)初僅僅是樹(shù)脂國(guó)產(chǎn)化就進(jìn)行了10年，目前仍無(wú)法給出明確的結(jié)論，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)哪怕僅僅樹(shù)脂替代的預(yù)浸料國(guó)產(chǎn)化。軍用飛機(jī)從20世紀(jì)80年代初開(kāi)始使用東麗T300碳纖維，21世紀(jì)初東麗T300的供應(yīng)出現(xiàn)問(wèn)題，從1 000元/kg升至8 000元/kg，從非正常渠道進(jìn)口的東麗T300仍有價(jià)無(wú)市，致使軍機(jī)生產(chǎn)幾乎處于無(wú)米下鍋的處境。在軍機(jī)用碳纖維國(guó)產(chǎn)化的過(guò)程中，除民營(yíng)企業(yè)家的家國(guó)情懷研發(fā)出了合格的國(guó)產(chǎn)航空碳纖維外，航空碳纖維及其復(fù)合材料穩(wěn)定性和等同性的評(píng)價(jià)體系（將另文介紹）的建立也作出了重要的貢獻(xiàn)。在這套體系的指導(dǎo)下我國(guó)軍機(jī)復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，擺脫了依賴(lài)東麗碳纖維的困境。

經(jīng)過(guò)這十幾年的發(fā)展，當(dāng)前國(guó)產(chǎn)T300級(jí)小絲束碳纖維的性能及其穩(wěn)定性，以及產(chǎn)能均取得了飛躍的進(jìn)步，實(shí)際上與ZOLTEK大絲束碳纖維相比未必有很大的差距，只是苦于沒(méi)有適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)體系來(lái)給出明確的答案。風(fēng)電葉片行業(yè)可以在已有軍機(jī)碳纖維及其復(fù)合材料穩(wěn)定性和等同性的評(píng)價(jià)體系基礎(chǔ)上，根據(jù)風(fēng)電葉片的產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)略加改進(jìn)，就可以制訂出風(fēng)電葉片行業(yè)的評(píng)價(jià)體系。風(fēng)電葉片行業(yè)可以參照航空復(fù)合材料供應(yīng)商的評(píng)價(jià)與管理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)國(guó)產(chǎn)碳纖維的質(zhì)量穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，并制訂嚴(yán)格的管理體系保證后續(xù)供應(yīng)原材料性能的穩(wěn)定性。國(guó)產(chǎn)碳纖維一定可以成為國(guó)產(chǎn)風(fēng)電葉片的原材料，從而實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)碳纖維的萬(wàn)噸級(jí)供應(yīng)。同時(shí)國(guó)產(chǎn)大絲束碳纖維也可以按同樣的評(píng)價(jià)體系評(píng)定其性能及其穩(wěn)定性，從而進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域大批量應(yīng)用。

4 國(guó)產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片的研發(fā)

前文討論的是國(guó)產(chǎn)碳纖維及其復(fù)合材料的穩(wěn)定性和等同性，這只是解決了國(guó)產(chǎn)碳纖維是否可用的問(wèn)題。國(guó)產(chǎn)風(fēng)電葉片是否一定要嚴(yán)格遵守VESTAS的設(shè)計(jì)、制造和材料規(guī)范呢？目前很多國(guó)內(nèi)的風(fēng)電葉片生產(chǎn)商組建了自己的設(shè)計(jì)和工藝制造團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)中包含有一些具有VESTAS背景，知悉VESTAS專(zhuān)利的成員，希冀模仿或復(fù)制VESTAS的成功模式，很快開(kāi)發(fā)出基于國(guó)產(chǎn)碳纖維性能特點(diǎn)的風(fēng)電葉片。這種方式的前提是必須按照國(guó)產(chǎn)碳纖維當(dāng)前的性能指標(biāo)，制訂符合國(guó)產(chǎn)碳纖維性能特點(diǎn)的材料規(guī)范，獨(dú)立自主地開(kāi)發(fā)碳纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)，包括設(shè)計(jì)和工藝制造。

眾所周知碳纖維作為實(shí)現(xiàn)輕量化的主要優(yōu)勢(shì)是在滿足一定強(qiáng)度要求的前提下，具有其他材料不具備的高比模量。熟悉復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)人員都知道，目前無(wú)論T300、T700還是T800，作為結(jié)構(gòu)材料其拉伸強(qiáng)度都是有富余的（對(duì)壓力容器強(qiáng)度要求可能更重要），T800之所以能替代T300，成為能實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減重的第2代碳纖維，主要是比T300（230MPA）高30%的拉伸模量（294MPa）。筆者在2011年就曾呼吁，為什么國(guó)產(chǎn)碳纖維的性能指標(biāo)一定要與東麗碳纖維看齊呢？中簡(jiǎn)科技和江蘇恒神股份有限公司研發(fā)的創(chuàng)新型T700級(jí)碳纖維（強(qiáng)度4 900MPa，模量256GPa），其復(fù)合材料性能已接近T800，可以比T300實(shí)現(xiàn)更多的減重。國(guó)產(chǎn)濕噴濕紡T300級(jí)碳纖維的工藝特點(diǎn)表明，實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的指標(biāo)在工藝上是比較容易實(shí)現(xiàn)的。目前眾多國(guó)產(chǎn)碳纖維生產(chǎn)的濕噴濕紡T300級(jí)碳纖維，是否可以改變思路，不拘泥于ZOLTEK碳纖維的性能指標(biāo)，適當(dāng)提高拉伸模量，保持目前的拉伸強(qiáng)度不變或略低一些，從而可以使風(fēng)電葉片實(shí)現(xiàn)更多的減重呢？目前的現(xiàn)實(shí)是國(guó)內(nèi)復(fù)合材料產(chǎn)品（包括體育休閑產(chǎn)品、風(fēng)電葉片等）制造商長(zhǎng)期以來(lái)一直習(xí)慣于來(lái)料加工，或購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品圖紙進(jìn)行生產(chǎn)，從材料到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)直至生產(chǎn)工藝只是知其然不知其所以然，特別是材料性能指標(biāo)必須與國(guó)外保持一致，不能越雷池一步。因此在缺乏對(duì)風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)深入了解的背景下，不是少數(shù)幾個(gè)有VESTAS背景的技術(shù)人員就可以輕易開(kāi)發(fā)出可以與VESTAS葉片匹敵的國(guó)產(chǎn)風(fēng)電葉片。例如，為了理解波音公司給出的數(shù)據(jù)——拉伸設(shè)計(jì)值3 500με、壓縮設(shè)計(jì)值2 700με，國(guó)內(nèi)航空復(fù)合材料界花費(fèi)了超過(guò)了10年的時(shí)間。復(fù)合材料界經(jīng)常說(shuō)；設(shè)計(jì)是龍頭，材料是基礎(chǔ)，制造是關(guān)鍵，應(yīng)用是目的，維護(hù)是保障。其中低成本化突破的關(guān)鍵首先是設(shè)計(jì)，用國(guó)產(chǎn)碳纖維開(kāi)發(fā)出性價(jià)比優(yōu)于VESTAS風(fēng)電葉片的必要條件是：不受VESTAS風(fēng)電葉片的材料規(guī)范及設(shè)計(jì)理念束縛，按不同于ZOLTEK碳纖維的性能指標(biāo)，獨(dú)立自主開(kāi)發(fā)出能滿足結(jié)構(gòu)完整性要求的真正國(guó)產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片。

5 原材料的全產(chǎn)業(yè)鏈

復(fù)合材料行業(yè)的技術(shù)人員都知道，對(duì)用戶而言僅有碳纖維是沒(méi)有意義的，只有碳纖維加上與之匹配的樹(shù)脂（有時(shí)為上漿劑）才會(huì)形成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)玻璃纖維行業(yè)樹(shù)脂樹(shù)脂多從市場(chǎng)上采購(gòu)。對(duì)碳纖維來(lái)說(shuō)，通常用于高性能結(jié)構(gòu)，對(duì)纖維與樹(shù)脂的匹配有很高的要求，同時(shí)碳纖維復(fù)合材料為發(fā)揮其高性能，必須要求精細(xì)化設(shè)計(jì)和制造，不同的工藝需要不同的樹(shù)脂?！犊萍既?qǐng)?bào)》提到的卡脖子技術(shù)包括與高性能纖維匹配的環(huán)氧樹(shù)脂是有一定道理的。航空用樹(shù)脂無(wú)法從國(guó)外得到，筆者已另文說(shuō)明，同樣風(fēng)電葉片用與國(guó)產(chǎn)碳纖維匹配的樹(shù)脂也是沒(méi)有貨架產(chǎn)品的，必須在應(yīng)用過(guò)程中同時(shí)開(kāi)發(fā)。盡管?chē)?guó)內(nèi)環(huán)氧樹(shù)脂的生產(chǎn)已在世界上占有一席之地，但用于風(fēng)電葉片與國(guó)產(chǎn)碳纖維匹配的環(huán)氧樹(shù)脂仍是空白。作為國(guó)產(chǎn)碳纖維風(fēng)電葉片的產(chǎn)業(yè)化，相應(yīng)的樹(shù)脂開(kāi)發(fā)和批量生產(chǎn)也是國(guó)內(nèi)環(huán)氧樹(shù)脂界的巨大市場(chǎng)。復(fù)合材料產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)、材料、工藝、制造技術(shù)人員密切配合，風(fēng)電葉片用樹(shù)脂研發(fā)人員必須參與其中。