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摘 要：本文结合碳纳米管的诸多优点及实际项目情况，较为详细地介绍了碳纳米管在大型复合材料风力机发电叶片上的应用实例及应用前景等，这有益于大型复合材料风力机发电叶片的应用推广。
关键词：碳纳米管;应用;叶片
1概述
碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs）完全是由碳原子构成，是继石墨、金刚石、C60之后的又一种碳的同素异形体，是新型的准一维纳米材料，其主要是由一层或多层石墨层片按照一定螺旋角卷曲而成的，直径为纳米量级，长度一般达几百微米或毫米量级的无缝中空管。CNTs层与层之间是类石墨的片层结构，碳原子之间由sp2杂化形成的C=C共价键组成，每个碳原子有一个未成对电子位于垂直于层片的π轨道上，这种特殊的结构和几何特点使其具有优异的力学性能及导电性能，在众多领域表现出广泛的应用前景，如高性能结构增强材料、大规模集成电路、光电子元器件、生物传感器等。
CNTs被广泛应用于汽车燃料输送系统等要求防静电器件的内包装、汽车导电塑料零部件的制造等领域，并已取得很好的应用效果。此外，由于CNTs的纳米级尺寸及添加量非常低，聚合物在取得良好的导电性能时，其力学及其它性能并没有降低，非常适合于薄壁增强塑料件的注塑成型。
为了进一步扩大风力发电规模，更有效地利用风电资源，降低风力发电成本，风电机组的单机容量越来越大，叶片的长度也在不断增加。叶片长度的增加势必导致重量的增加，从而推动转子转动就需要更大的风力，这意味着更多的风力被浪费在了推动转子上而非发电。因此，重量更轻、强度及刚度更高的超大型叶片成为近年来叶片设计与制造企业研究的重点。
通过研究CNTs对聚合物基复合材料力学和电学性能的影响，选择合适的CNTs表面处理及分散方法和添加量，用以大幅提高叶片用复合材料的力学性能，满足大型叶片对材料力学性能的更高要求，以优化大型叶片生产原材料用量，降低大型叶片制造成本;利用CNTs的导电性能，研究CNTs基聚合物导电自加热性能及开发叶片导电涂层，解决低温寒冷地区叶片修复过程中加热固化难及运行过程中表面结垢、积雪、结冰、结霜等问题，提高风能利用效率，保证风机的运行安全，确保风电机组的发电效益。
2.1具体研究开发的内容
（1）CNTs的表面修饰及处理技术和CNTs在环氧树脂基体中的分散技术
（2）通过CNTs对聚合物基复合材料力学性能影响的研究，利用CNTs改性环氧树脂、聚酯树脂等基体材料，提高材料的力学性能，减少材料用量，降低叶片重量，其次，提高叶片合模胶粘界面的粘接性能，提高粘接质量;
（3）通过CNTs对聚合物导电性能影响的研究，开发具有良好导电性能的环氧树脂基玻璃纤维增强塑料。利用导电材料通电发热的特点，实现叶片现场修复材料的自加热，解决低温寒冷地区叶片大面积修复，固化温度无法保证、影响修复质量的问题;
（4）通过CNTs对现有叶片表面涂层的改性研究，使表面涂层具有导电性能，实现自身加热，用于叶片的除雪、除冰、除霜，减少霜冻对叶片气动性能的影响，保证叶片发电效率和运行安全;
（5）通过CNTs改性涂料性能的研究，开发出一种自洁性、耐磨性、附着力、柔韧性、耐老化性能优异的涂料，解决现有叶片防护涂层的不足;
2.2研究方法
（1）研究CNTs在聚合物中的分散技术;
本项目中CNTs的表面修饰和改性技术及其在聚合物树脂基体中的分散技术基础是Layer-By-Layer（LBL）模板技术和机械球磨共混技术。主要采用非共价功能化修饰法对CNTs进行表面改性，并用机械球磨辅助分散法制备CNTs分散液或CNTs树脂基体溶液。
（2）CNTs基聚合物复合材料的制备及性能评价
①采用真空辅助灌注法制备CNTs基聚合物复合材料层合板，研究不同CNTs表面修饰方法、CNTs添加量对聚合物基复合材料力学性能及通电条件下自加热性能的影响，并以此为依据，进行配方设计，开发出具有良好力学性能及导电性能的环氧树脂基玻璃纤维增强塑料，为叶片设计及制造过程中减少材料用量，降低叶片重量，提高叶片合模胶粘界面的粘接性能及粘接質量奠定基础;
②通过在现有的叶片表面涂层涂料中添加CNTs分散液，通过研究不同CNTs添加量对叶片表面涂层耐磨性、附着力、柔韧性、耐老化性能及导电性能的影响，确定最佳添加剂量，为实现涂层自身加热，用于叶片的除雪、除冰、除霜，减少对叶片气动性能的影响，保证叶片发电效率和安全运行，解决现有叶片防护涂层的不足等问题奠定基础;
③CNTs基复合材料叶片的结构设计、生产工艺及验证试验
a.通过对CNTs基聚合物复合材料的制备方法及性能研究，设计CNTs基复合材料叶片，并确定CNTs基复合材料叶片的成型工艺及相应的工艺条件和参数，进行CNTs基复合材料叶片试制。
b.通过全尺寸结构静力试验和疲劳试验，对产品的结构设计进行验证，并对实验过程及数据进行分析和讨论，以期为CNTs基复合材料叶片的结构设计及生产工艺改进提供参考依据;
c.通过对CNTs基复合材料叶片壳体及其导电涂层导电性能的测试，进一步研究电压施加方式、升温速率及升温时间之间的影响关系，为低温寒冷地区现场叶片的维修加热固化工艺及预防叶片表面积雪、结霜及解冻提供参考依据;
2.3项目创新
（1）充分利用CNTs优良的电学和力学性能对聚合物进行改性，与叶片逐步大型化、对材料力学性能要求越来越高的需求相一致;
（2）通过研究CNTs对聚合物树脂基体及叶片表面涂层导电性能的影响，不仅创新性的解决了低温寒冷地区叶片现场修复加热固化问题，还为叶片表面防雪、防冰、防霜及防污提供一条新的、更佳的解决途径。
3.1主要指标
（1）对力学性能和电性能的改进：材料的拉伸强度在原有基础上提高10%以上;涂料体积电阻率低于108Ω·m，表面电阻率低于109Ω;
（2）聚合物自加热性能：聚合物复合材料上施加低于24v电压，在常温下，每小时升温60℃以上，基体温度达到的最高温度不高于85℃;叶片表面涂层施加低于24v电压，-20℃环境条件下表面温度0℃以上;
（3）涂料基本性能改进：自洁性、耐磨性、附着力、柔韧性、耐化性能等性能明显提高，可量化的指标性能提高不低于10%。
3.2社会效益
通过CNTs的改性，提高聚合物基复合材料的性能和性价比，拓宽原有聚合物和玻璃纤维的应用领域，替代或减少价格昂贵的碳纤维等高性能材料的使用，满足叶片大型化发展趋势对材料提出的更高要求，降低大型叶片制造成本，从而降低整个风电机组的造价和发电成本，提高风电的市场竞争力，促进风电行业的发展;CNTs改性涂料的应用，对减少叶片表面污物对叶片风能利用系数的影响、提高风电机组发电量，避免叶片因污物造成的质量不平衡，保证风机运行安全都具有重要意义。
4综述
利用CNTs优良的力学及导电性能，不仅可以提高叶片的力学性能，又可以降低叶片重量，降低生产成本;同时，还可以解决低温寒冷地区叶片修复难及覆冰等问题，具有广阔的市场应用前景及产业化前景。
参考文献
[1] 李兆敏，王聪，韩克清，等.表面官能团化多壁MWNTs/EP复合材料的制备及性能[J].材料科学与工程学报，2007，25（3）：395-398.
[2] 张昊，蔡佩芝，赵东林，等.碳纳米管增强环氧树脂基复合材料的制备及其力学性能[J].北京化工大学学报（自然科学版），2011，38（1）：62-67.
关键词：碳纳米管;应用;叶片
1概述
碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs）完全是由碳原子构成，是继石墨、金刚石、C60之后的又一种碳的同素异形体，是新型的准一维纳米材料，其主要是由一层或多层石墨层片按照一定螺旋角卷曲而成的，直径为纳米量级，长度一般达几百微米或毫米量级的无缝中空管。CNTs层与层之间是类石墨的片层结构，碳原子之间由sp2杂化形成的C=C共价键组成，每个碳原子有一个未成对电子位于垂直于层片的π轨道上，这种特殊的结构和几何特点使其具有优异的力学性能及导电性能，在众多领域表现出广泛的应用前景，如高性能结构增强材料、大规模集成电路、光电子元器件、生物传感器等。
CNTs被广泛应用于汽车燃料输送系统等要求防静电器件的内包装、汽车导电塑料零部件的制造等领域，并已取得很好的应用效果。此外，由于CNTs的纳米级尺寸及添加量非常低，聚合物在取得良好的导电性能时，其力学及其它性能并没有降低，非常适合于薄壁增强塑料件的注塑成型。
为了进一步扩大风力发电规模，更有效地利用风电资源，降低风力发电成本，风电机组的单机容量越来越大，叶片的长度也在不断增加。叶片长度的增加势必导致重量的增加，从而推动转子转动就需要更大的风力，这意味着更多的风力被浪费在了推动转子上而非发电。因此，重量更轻、强度及刚度更高的超大型叶片成为近年来叶片设计与制造企业研究的重点。
通过研究CNTs对聚合物基复合材料力学和电学性能的影响，选择合适的CNTs表面处理及分散方法和添加量，用以大幅提高叶片用复合材料的力学性能，满足大型叶片对材料力学性能的更高要求，以优化大型叶片生产原材料用量，降低大型叶片制造成本;利用CNTs的导电性能，研究CNTs基聚合物导电自加热性能及开发叶片导电涂层，解决低温寒冷地区叶片修复过程中加热固化难及运行过程中表面结垢、积雪、结冰、结霜等问题，提高风能利用效率，保证风机的运行安全，确保风电机组的发电效益。
2.1具体研究开发的内容
（1）CNTs的表面修饰及处理技术和CNTs在环氧树脂基体中的分散技术
（2）通过CNTs对聚合物基复合材料力学性能影响的研究，利用CNTs改性环氧树脂、聚酯树脂等基体材料，提高材料的力学性能，减少材料用量，降低叶片重量，其次，提高叶片合模胶粘界面的粘接性能，提高粘接质量;
（3）通过CNTs对聚合物导电性能影响的研究，开发具有良好导电性能的环氧树脂基玻璃纤维增强塑料。利用导电材料通电发热的特点，实现叶片现场修复材料的自加热，解决低温寒冷地区叶片大面积修复，固化温度无法保证、影响修复质量的问题;
（4）通过CNTs对现有叶片表面涂层的改性研究，使表面涂层具有导电性能，实现自身加热，用于叶片的除雪、除冰、除霜，减少霜冻对叶片气动性能的影响，保证叶片发电效率和运行安全;
（5）通过CNTs改性涂料性能的研究，开发出一种自洁性、耐磨性、附着力、柔韧性、耐老化性能优异的涂料，解决现有叶片防护涂层的不足;
2.2研究方法
（1）研究CNTs在聚合物中的分散技术;
本项目中CNTs的表面修饰和改性技术及其在聚合物树脂基体中的分散技术基础是Layer-By-Layer（LBL）模板技术和机械球磨共混技术。主要采用非共价功能化修饰法对CNTs进行表面改性，并用机械球磨辅助分散法制备CNTs分散液或CNTs树脂基体溶液。
（2）CNTs基聚合物复合材料的制备及性能评价
①采用真空辅助灌注法制备CNTs基聚合物复合材料层合板，研究不同CNTs表面修饰方法、CNTs添加量对聚合物基复合材料力学性能及通电条件下自加热性能的影响，并以此为依据，进行配方设计，开发出具有良好力学性能及导电性能的环氧树脂基玻璃纤维增强塑料，为叶片设计及制造过程中减少材料用量，降低叶片重量，提高叶片合模胶粘界面的粘接性能及粘接質量奠定基础;
②通过在现有的叶片表面涂层涂料中添加CNTs分散液，通过研究不同CNTs添加量对叶片表面涂层耐磨性、附着力、柔韧性、耐老化性能及导电性能的影响，确定最佳添加剂量，为实现涂层自身加热，用于叶片的除雪、除冰、除霜，减少对叶片气动性能的影响，保证叶片发电效率和安全运行，解决现有叶片防护涂层的不足等问题奠定基础;
③CNTs基复合材料叶片的结构设计、生产工艺及验证试验
a.通过对CNTs基聚合物复合材料的制备方法及性能研究，设计CNTs基复合材料叶片，并确定CNTs基复合材料叶片的成型工艺及相应的工艺条件和参数，进行CNTs基复合材料叶片试制。
b.通过全尺寸结构静力试验和疲劳试验，对产品的结构设计进行验证，并对实验过程及数据进行分析和讨论，以期为CNTs基复合材料叶片的结构设计及生产工艺改进提供参考依据;
c.通过对CNTs基复合材料叶片壳体及其导电涂层导电性能的测试，进一步研究电压施加方式、升温速率及升温时间之间的影响关系，为低温寒冷地区现场叶片的维修加热固化工艺及预防叶片表面积雪、结霜及解冻提供参考依据;
2.3项目创新
（1）充分利用CNTs优良的电学和力学性能对聚合物进行改性，与叶片逐步大型化、对材料力学性能要求越来越高的需求相一致;
（2）通过研究CNTs对聚合物树脂基体及叶片表面涂层导电性能的影响，不仅创新性的解决了低温寒冷地区叶片现场修复加热固化问题，还为叶片表面防雪、防冰、防霜及防污提供一条新的、更佳的解决途径。
3.1主要指标
（1）对力学性能和电性能的改进：材料的拉伸强度在原有基础上提高10%以上;涂料体积电阻率低于108Ω·m，表面电阻率低于109Ω;
（2）聚合物自加热性能：聚合物复合材料上施加低于24v电压，在常温下，每小时升温60℃以上，基体温度达到的最高温度不高于85℃;叶片表面涂层施加低于24v电压，-20℃环境条件下表面温度0℃以上;
（3）涂料基本性能改进：自洁性、耐磨性、附着力、柔韧性、耐化性能等性能明显提高，可量化的指标性能提高不低于10%。
3.2社会效益
通过CNTs的改性，提高聚合物基复合材料的性能和性价比，拓宽原有聚合物和玻璃纤维的应用领域，替代或减少价格昂贵的碳纤维等高性能材料的使用，满足叶片大型化发展趋势对材料提出的更高要求，降低大型叶片制造成本，从而降低整个风电机组的造价和发电成本，提高风电的市场竞争力，促进风电行业的发展;CNTs改性涂料的应用，对减少叶片表面污物对叶片风能利用系数的影响、提高风电机组发电量，避免叶片因污物造成的质量不平衡，保证风机运行安全都具有重要意义。
4综述
利用CNTs优良的力学及导电性能，不仅可以提高叶片的力学性能，又可以降低叶片重量，降低生产成本;同时，还可以解决低温寒冷地区叶片修复难及覆冰等问题，具有广阔的市场应用前景及产业化前景。
参考文献
[1] 李兆敏，王聪，韩克清，等.表面官能团化多壁MWNTs/EP复合材料的制备及性能[J].材料科学与工程学报，2007，25（3）：395-398.
[2] 张昊，蔡佩芝，赵东林，等.碳纳米管增强环氧树脂基复合材料的制备及其力学性能[J].北京化工大学学报（自然科学版），2011，38（1）：62-67.