复合材料及其在风电叶片行业应用的启示

吴彦波

(东方电气(天津)风电叶片工程有限公司 天津300480)

1 复合材料与风电叶片制造

1.1 复合材料概述

材料是人类社会进步的物质基础和先导，随着时代的发展，传统的单一材料，如金属、陶瓷、聚合物等，由于各自固有的局限性已经不能满足现代科技发展的需求。

复合材料是为了满足高技术发展的需求而开发的高性能的先进材料。它由 2种或 2种以上性质不同的材料组合而成，各组分之间性能“取长补短”，起到“协同作用”[1]，可以得到单一材料无法比拟的优越的综合性能，从而极大地满足人类发展对新材料的需求，目前已广泛应用到风力发电、航空航天、汽车工业、医疗、军工等诸多领域。总而言之，复合材料是应现代科学技术而发展出来的具有极大生命力的新材料。

1.2 复合材料在风电叶片上的应用

复合材料风电叶片(图 1)是风力发电的关键结构部件，用于捕获风能，将风能转化成机械能，最终转化成电能。叶片制造目前主要采用玻璃纤维(或碳纤维)、PVC、轻木、环氧树脂等材料复合而成。将这些材料在模具上预先按设计要求铺敷，通过真空灌注工艺将树脂导入，树脂固化后使之形成一个新的功能性整体。复合材料的应用既保证了风电的强度和刚度，又显著降低了风电重量，可以很好地满足风力发电装置的大功率需求[2]。

图1 复合材料风电叶片结构示意图Fig.1 Structural diagram of composite wind turbine blade

2 从专业理论到工程实践

复合材料专业知识在风电叶片制造行业上的应用体现了理论与工程实践的结合。理论与实践，两者相互作用，相互影响。这两者一旦剥离，就会使成功之路布满泥泞，更有甚者会直接远离成功。

2.1 学习并理解理论知识

学习并理解理论知识是应用的前提条件。书籍是人类进步的阶梯，是无数先辈呕心沥血的研究成果。通过学习能在最短的时间内，理解前人的思想，吸收前人的经验和成果，从而提升认知水平。死记硬背只能满足应试需求，并不能在脑海中形成深刻印象，更不能做到学以致用。学习的过程就是深入思考的过程。掌握复合材料的原理、性能、定律、工艺方法等基础知识，在学习和探讨中加深理解，在理解的基础上才能谈逐步运用。因此，学习和理解理论知识是灵活应用的先决条件。

2.2 理论指导的重要性

正确应用专业理论知识是至关重要的。由于事物之间往往是相互作用、相互影响，且因果交织的，在解决实际问题的过程中，如果没有充分了解具体情况，即使运用了理论知识也并不一定能解决问题，反而有可能会引发更加严重的后果。比如批量性质量事故，给企业带来巨额的经济损失，给个人的职业生涯造成不良影响。因此，要在充分调查和研究的基础上，正确应用理论知识。

2.3 解决实际问题

解决问题的过程就是在了解实际情况的基础上，联系并运用相关理论、原理改变结果的过程。在叶片制造的过程中往往会遇到各种各样的工艺问题、质量问题。从人、机、料、法、环、测生产六要素出发，深入调查并分析问题的原因。在对问题层层剖析后，找到关键症结，从根本原因出发结合理论知识，采用专业技能有效解决该问题。

例如，叶片在固化成型后出现了白斑质量问题，需要深入现场调查，分析白斑形成的根本原因。如果是因为模具温度过高造成，可以结合复合材料成型工艺的要求，调整模具的加热温度；如果是因为灌注系统辅材布置存在偏差，可以结合复合材料理论中的达西定律进行分析，调整灌注辅材布置。通过试验验证预期与实际的吻合性，从而加深对理论知识的吸收，提升灵活运用能力。

2.4 在实践中培养兴趣

兴趣是最好的老师。如果说不断地运用专业理论知识解决问题是实践型人才培养的关键过程，那兴趣就是激发人们前进的不竭动力和源泉。在解决实际问题的过程中，要有意识地养成运用专业理论知识解决实际问题的习惯。通过理论知识在实践中的点滴应用，在解决一个又一个小问题的同时，提升工程人员的自信心，收获成就感，从而进一步激发其学习和应用知识的兴趣和热情。

2.5 总结和提升

吸取成功的经验和失败的教训，通过总结实现自我提升。书籍是前人总结的成果，运用知识解决问题的过程就是将别人的知识转化并吸收成自己知识的过程。但事后要学会总结和归档，将零散的知识构建成自我完整的知识体系。不论成功和失败都要进行总结。如果失败了或出现问题了，要分析问题到底出在哪里，下次是否能避免；如果成功了，也要总结是如何成功的，这种成功能否复制。在反思和总结中不断提升个人的认知水平和精神境界，从而提升个人在工作中的核心竞争力。

3 开拓创新之路

3.1 推进产学研深度融合

推进产学研深度融合的校企协同育人模式[3]。高校是培养人才的育人之所，企业则是吸收人才的用武之地，将两者真正的结合起来，便能够达到相辅相成的效果。比如可以在某高校的复合材料专业学生与叶片制造企业之间开展此类育人培养模式。学生通过企业的实践平台，验证科研成果，并服务于企业，取得社会和经济效益；企业利用理论知识对生产进行优化，得到社会资源和利益，利用这些资源，可以用于高校更好的建设、人才更好的培养，从而实现双赢。学生经过高校的专业理论知识教育，又得到企业实践平台的工程锻炼，将会显著提高专业技能水平，激发创新思维。

3.2 技术攻关创新

鼓励企业成立项目攻关团队，解决企业发展的技术瓶颈，从而实现企业发展与创新人才培养的双赢。通过技术攻关解决行业难题的案例不在少数。比如某款 10MW 级海上叶片，采用了全碳纤维主梁帽结构，是世界上最宽的碳纤叶片主梁帽，其成型难度极大，工艺上极具挑战性。尽管研发团队历经失败的挫折，但整个研发团队并没有气馁，对工艺方法不断地优化和创新，经过攻关最终掌握了核心技术。通过此项新技术开发出的10MW级叶片更是一举刷新了亚洲第一、世界第二大功率单体叶片制造的记录。企业不仅得到了长远发展，还培养了一批优秀的创新型人才。因此，技术创新是企业发展的源动力。

4 展 望

复合材料专业与叶片制造行业密不可分，专业的知识和高新成果是企业不断成长的动力和源泉。通过理论与实践相结合、产学研深度融合、勇于开拓创新等一些列举措，培养企业所需的实践型人才。随着不断的开拓和创新，复合材料与工程专业在风电叶片制造领域必将有更远大的发展前景。