摘要：热塑性复合材料具备优异的机械特性、良好的柔韧性、出色的焊接能力、可回收性以及轻质等诸多优势，在众多领域展现出巨大的应用潜力。在当前风电叶片发展中，追求更高的功率输出、更大的尺寸以及更高的成本效益已成为主流趋势。然而，退役后叶片材料的处理也已然成为一项颇具规模的

一、引言

热塑性复合材料具备优异的机械特性、良好的柔韧性、出色的焊接能力、可回收性以及轻质等诸多优势，在众多领域展现出巨大的应用潜力。在当前风电叶片发展中，追求更高的功率输出、更大的尺寸以及更高的成本效益已成为主流趋势。然而，退役后叶片材料的处理也已然成为一项颇具规模的工程挑战。鉴于此，热塑性树脂作为风电叶片可回收的基体材料，在风电叶片中的应用受到了广泛研究。

近日，复合材料领域的Top期刊《Composites Part B: Engineering》发表了一篇题为“A review of thermoplastic composites on wind turbine blades”的综述论文。该综述由重庆大学陈立明教授/重庆科技大学杜冰副教授团队完成。文章涵盖了风电叶片材料、设计优化、制造技术、性能测试与防护、回收再利用策略等多个方面，系统介绍并总结了热塑性复合材料在风电叶片上的应用前景，为热塑性复合材料在风电领域的进一步研究和工业化应用提供了理论支撑与科学指导。

图1 综述框架

二、风电叶片材料：热塑性复合材料

1. 热塑性树脂基体

热塑性复合材料（TPC）是以热塑性树脂作为基体材料，以纤维作为增强体所制成的复合材料。热塑性复合材料具备质量轻、刚度好以及强度高等显著优势，能够很好地满足风机叶片在比重轻、抗疲劳性能以及抗冲击性能等方面的运转要求。然而，与热固性树脂相比，热塑性树脂具有较大的分子量以及较高的溶解粘滞度。这一特性使得在对其进行加工时，需要更高的加热温度以及固化压力，进而导致能耗成本大幅增加，这在一定程度上限制了热塑性树脂的广泛应用。鉴于此，研发性能优异且粘度低的热塑性树脂显得尤为关键，Arkema公司的Elium®树脂可应用程度高，目前已有不少研究。

图2 热塑性树脂基体分类

2. 增强材料

玻璃纤维凭借其优异的耐腐蚀性、轻质性、耐久性、高强度和刚性等特性，成为风电叶片的理想材料。其中，玻璃纤维的拉伸模量在决定叶片变形方面发挥着至关重要的作用。随着对更大、更轻风电叶片的需求不断增长，玻璃纤维的选择逐渐从普通玻璃纤维向高模量玻璃纤维转变。尽管超高模量玻璃纤维的拉伸性能明显优于高模量玻璃纤维，但其性能提升幅度有限，难以满足制造更大叶片的刚度要求。因此，在特定应用场景下，如海上/陆上大型风电叶片，尤其是在关键结构元件（如翼梁帽）中，碳纤维成为了一种重要的替代材料，在航空航天和国防领域以及风电叶片部件的研究中有所应用，但其平均成本较高。

近年来，全球各大厂商纷纷致力于研究生产低成本大丝束碳纤维。在此情况下，考虑到性能和成本之间的平衡，碳/玻混杂纤维成为了一种重要的应用选择。目前，国内外已有部分学者和风电厂商开展了对碳/玻混杂复合材料制造风电叶片的研究与应用。尽管在某些风电叶片设计中已经采用了碳/玻混杂复合材料，但在优化碳纤/玻纤与树脂基体之间的界面结合、铺层顺序，合适的混杂比，在不同负载条件下的性能稳定性等方面仍需深入研究。

图3 混杂纤维类型

3. 界面结合

复合材料树脂具有不同的界面相容性，具体取决于所使用的纤维增强材料的类型，其复合界面的强度极大地影响了风电叶片的性能。较弱的纤维/基体界面导致复合材料强度对纤维偏移的敏感性更大，从而导致热塑性复合材料的性能降低，进而导致结构失效。因此，必须采用物理处理、化学改性和其他表面处理技术来提高复合材料性能。所以在风电叶片基体材料和增强材料改变时，其界面结合的研究不容忽视。

图4 界面粘附和处理技术（a）基体与增强体之间界面粘附示意图（b）CF表面处理等离子体处理装置（c）激发界面（d）GO-SiO2多尺度混合界面层的制备示意图

三、热塑性复合材料风电机叶片的设计优化

1. 风电叶片设计标准

IEC 61400等国际标准为风电叶片的结构和功能设计和生产建立了统一的框架，几乎适用于所有叶片，包括材料、测试、维修和操作规范。鉴于风速、湿热条件、静强度、疲劳强度和其他变量的经验数据在每个国家和地区都有所不同。而目前热塑性复合材料风电叶片的参考标准只能延用热固性复合材料风电叶片作为参考，国际上还没有形成对热塑性风电叶片系统化的标准。

2. 空气动力学设计

风电叶片的设计包括气动轮廓、结构部件和制造工艺的开发。在气动设计阶段，根据风力涡轮机的性能需求为其叶片横截面选择正确的参数至关重要。叶片通常承受三类载荷：空气动力载荷、重力和离心力。叶片单元动量理论（BEM）、涡尾流法（VWM）和计算流体动力学（CFD）是计算和评估气动参数的三种主要方法。常用的分析软件包括ANSYS、ABAQUS、GH Bladed等。

图5 气动分析（a）流/固耦合作用分析流程图（b）CFD建模（c）风力涡轮机的非定常效应和叶片截面速度

3. 结构设计优化

叶片的外壳通常由玻璃纤维增强复合材料（GFRP）组成，而主梁则由具有更高强度和模量的碳纤维增强复合材料（CFRP）制成。叶片的其余部分采用具有夹层结构的纤维复合材料制成。叶片设计通常涉及使用翼梁和壳体模型，内侧侧重关注叶片的结构方面，外侧侧重关注其空气动力学性能。研究者通常需要整合气动轮廓参数、分析气动载荷、选择合适的叶片材料和确定界面结构形式，然后进行铺层设计，以达到叶片高性能、减重的目的。

图6 叶片结构

四、热塑性复合材料的制造技术

1. 拉挤工艺

拉挤成型技术因其原料利用率高、生产效率高、废品率低等优点，在复合材料的制造中有广泛的应用。拉挤成型在生产热塑性复合材料风电叶片中的应用具有巨大的前景，特别是在提高叶片的机械质量和减轻叶片重量方面，常用于加固叶片根部、主梁。其中，浸渍质量、设备复杂性、加热控制和生产效率是制造高质量热塑性复合材料大横截面型材的关键挑战。

图7 拉挤成型工艺及其板材示意图

2. 真空灌注工艺

真空灌注工艺是大型风电叶片生产中广泛使用的成型方法，优点是效率高、挥发性物质少、操作简单、工具费用低和制品质量高，适用于生产复杂的弯曲结构，如叶片外壳。然而，必须严格调控工艺参数，尤其是热塑性树脂的流动特性。

图8 真空灌注成型工艺（a）工艺示意图（b）风叶蒙皮

3. 熔融连接

鉴于热塑性复合材料的熔融可加工特性，熔融连接技术展现出良好的发展前景。电阻焊接、感应焊接和超声波焊接是熔焊技术中最具发展潜力的连接方法。目前，熔融焊接技术主要用于叶片上下蒙皮拼接和蒙皮-腹板连接。其优势在于减少连接件、粘结剂和可修复性。现阶段还需要使用较复杂的设备，并探索合适的工艺参数。

图9 风电叶片熔融连接 （a）热塑性复合材料的焊接方法 （b）风电叶片CF/环氧树脂蒙皮和凹形铝合金腹板焊接 （c）感应焊接和电阻焊接示意图 （d）风电叶片电阻焊接示意图

五、热塑性复合材料的性能研究

1. 叶片材料机械性能

金字塔实验方法在研究风电叶片的机械性能方面得到了广泛的应用，可提高研究效率和制品质量。本节对比了热固性与热塑性复合材料在承载能力、变形能力和失效机制上的差异，以及在不同载荷环境下的本构模型研究。

图10 风电叶片性能试验金字塔

2. 叶片损伤和失效

风电叶片损坏的常见类型包括表面侵蚀、非结构损坏、分层和结构损坏以及纤维断裂。叶片失效形式主要包括蒙皮和主梁法兰、主梁腹板夹层板之间的叶片结构粘合失效、负载下的变形、凝胶涂层中的裂纹形成和生长等，以及宏观叶片断裂。

图11 风电叶片各类型损伤

3. 叶片防护和健康监测

在其20年的使用寿命期间，风电叶片通常在-20°C至+60°C的温度范围内承受至少108至109次疲劳循环，需要更为全面而有效的防护措施和实时监测手段。目前主要应用的是涂层、防雷系统等防护措施，超声波、热成像等无损检测技术，无人机、机器学习识别缺陷等方法是近年来叶片健康监测的研究方向，智能化、系统化、大数据是未来的发展方向。

六、热塑性风电叶片的回收利用

1. 回收方法

叶片的回收方法主要是机械回收、热解回收以及溶剂回收。本节讨论了三种方法的优缺点。热解回收和化学溶剂方法对纤维损伤较小，可较大程度保证再生产品质量，而机械切割是获取基质的首选方法。

图12 回收方法：（a）叶片切割（b）粉碎回收（c）高压裂解示意图（d）热解示意图（e）溶剂回收示意图 （f）溶剂回收制备流程图

2. 再生产品

将退役的风电叶片回收，经过处理可在市政设施上可得到大量应用，例如景观建筑、娱乐设施和服务型设施等。

图13 再生产品 （a）Willemsplein的公共座椅（b）亲子互动场所（c）公共座椅（d）用废弃的叶片建造游乐园（e）桥梁的概念设计（f）改装的经济型住房（g）波兰Szprotan的人行天桥（h）爱尔兰Re-Wind Network的叶片桥

七、未来展望

随着全球对绿色能源需求的持续增长，热塑性复合材料在风力发电机叶片领域的应用前景愈发广阔。然而，目前在热塑性树脂的流动特性、碳/玻混杂纤维的界面结合和堆叠混合工艺设计、系统化国际化的设计标准制定、全面的制造工艺优化和性能分析平台建设、智能和数据驱动的实时监测技术开发、可持续的回收和再利用闭环系统构建等方面的研究仍存在较大空白，有待进一步深入研究。未来，需要更多的研究团队深入探索热塑性复合材料风电叶片，为推动热塑性复合材料在风电领域的广泛应用贡献更多的智慧和力量。

该研究工作得到国家自然科学基金、中国科协青年人才托举工程项目、中央高校基本科研业务费、重庆市自然科学基金、重庆市博士后科研项目的支持。

原始文献：Cheng X, Du B, He J, et al. A Review of thermoplastic composites on wind turbine blades[J]. Composites Part B: Engineering, 2025: 112411.

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来源：材料技术