“以前国际上大型客机采用的材料都是以先进铝合金为主,复合材料为辅,但到了波音787时代,复合材料的使用出现了质的飞跃,不仅数量激增,而且开始用于飞机的主承力构件。在国际大趋势的影响下,我国飞机制造领域复合材料的应用也在逐渐增多。世界上主要的复合材料加工设备,中航技国际工贸公司基本上都进行过采购,如铺带机、预浸机、3D缝纫机等,但这些产品目前国内都没有生产。”
日前,中航技国际工贸有限公司经理晏舟在分析国内飞机制造领域复合材料加工设备现状时指出,我国在飞机制造领域一个令人心痛的现实是复合材料加工能力远远落后国际发达国家。知耻而后勇,在复合材料应用的诸多领域内,我国的工艺设备、加工能力如何?有哪些亮点,和国际上还有哪些差距?记者进行了采访。
风电产业:乘风而起追赶世界一流
7月上旬,北京热浪袭人。而北京国展展览中心里举行的的第六届国际风能展暨亚洲风能设备展同样热潮涌动,风电产业中的复合材料叶片、风电轴承、涡轮电机等成了展会中最有人气的洽谈项目。
“叶片是风机设备的核心部件之一,从零部件价值量的角度来看,叶片的价值量最大,造价约占整个设备的25%;同时,风机叶片产业是风电机组部件中确定性较高、市场容量较大、盈利模式清晰的复合材料行业。”参展的浙江联洋复合材料有限公司总经理蔡正杰指出。
“当前我国各风电FRP(玻璃钢)企业开发的兆瓦级风机叶片、地面天线罩就是材料和结构最完美的设计和制造。作为结构材料最主要的是玻璃纤维,当然,设计及工艺选择也非常重要。大型风机叶片,不仅是在追求材料的轻质高强,而是将玻纤材料编织成工程织物来满足叶片的力学性能,真正体现FRP材料的自身价值。”中国不饱和聚酯树脂行业协会副秘书长赵鸿汉秘书长说。
赵鸿汉指出,复合材料风机叶片是风力发电系统的关键动力部件,直接影响着整个系统的性能,因此叶片的设计和制造质量水平十分重要,被视为风力发电机系统的关键技术和技术水平代表。
据了解,传统复合材料风力发电机叶片多采用手糊工艺制造。手糊工艺的主要特点在于手工操作、开模成型(成型工艺中树脂和增强纤维需完全暴露于操作环境中)、生产效率低,树脂固化程度(树脂的化学反应程度)往往偏低,适合产品批量较小、质量均匀性要求较低的复合材料制品的生产。
手糊工艺制造的风力发电机叶片在使用过程中,往往由于工艺过程中的含胶量不均匀、纤维/树脂浸润不良及固化不完全等,引发裂纹、断裂和叶片变形等问题。
“因此,目前越来越多的企业开始放弃手糊工艺,开始使用真空灌注工艺,此工艺适宜大型风机叶片批量生产。”中国复合材料工业协会一位负责人表示。
与手糊工艺相比,真空灌注工艺不但节约了黏接工艺的各种工装设备,而且节约了工作时间,提高了生产效率,降低了生产成本。同时由于采用了低黏度树脂浸润纤维以及采用加温固化工艺,大大提高了复合材料质量和生产效率。目前,国内许多大型叶片制造商均已采用真空灌注工艺。
除了在加工工艺上努力向国际看齐,国内风机叶片企业还需要在技术创新、检测设备等方面不断提高。赵鸿汉认为,就国内而言,中航惠腾风电设备有限公司为国内叶片最大制造企业,是国内唯一的自主技术、自行研发聚脂基FRP叶片的企业。惠腾叶片技术主要特点包括结构阻尼专利(降低振动)、叶尖专有技术(提供气动性能降低噪音)、镜面模具技术、快速常温固化技术、高精度平衡技术、高精度叶根定位技术等。以1.5兆瓦、6吨重的叶片为例,每支重量误差在1公斤以下,重心偏差不超过10毫米。因此,其启动风速只需2.6米/秒,发电风速为3米秒。该公司目前达到1.5兆瓦叶片1000套的产能,并于2008年开发了2兆瓦叶片。