风电用碳纤维结构性能特征及发展趋势—CWPC2026桐乡叶片会议.pdf

1、1风电用碳纤维结构性能特征及发展趋势王晓旭北京化工大学国家碳纤维工程技术中心2026.4.2第十二届中国国际风电复合材料创新发展论坛暨风电复合材料关键技术学术交流会 风机发电效率随扫风面积增加而提升，风电机组大型化已成为行业发展必然趋势 叶片质量会随着长度的增加而呈多次方增长，这导致整个风机系统承受的载荷急剧上升风电机组大型化发展趋势73吨46吨32吨20吨11吨6吨2吨2吨100吨21.2%23.5%27.6%29.5%2020年以前2021年2022年2023年叶片成本比重逐年上升大型叶片重量持续上升 为了在控制重量的同时保持极高的结构刚度，碳纤维复合材料因其更卓越的比强度和比刚度，成为了

2、替代传统玻璃纤维的关键材料 在叶片主梁中引入碳纤维，相比全玻纤结构能够实现约20%到30%的减重效果 传统玻璃纤维模量逐年提升，但模量已达瓶颈 叶片大型化需要采用更高模量的碳纤维叶片材质快速迭代升级 在叶片主梁中使用碳纤维可使叶片减重30%至31%在边缘增强结构（叶片前缘和后缘）中使用，可使叶片减重达7%碳纤维具有明显减重效果SAND2023-11080 超长叶片主梁更多采用碳纤维碳纤维在风电叶片中的应用现状碳纤维在风电叶片中的应用现状 大丝束碳纤维生产成本低 加工效率高 是风电领域应用的主流大丝束碳纤维（纤维根数48K）小丝束碳纤维（纤维根数24K）超大丝束碳纤维（纤维根数96K）碳纤维在风

3、电叶片中的应用现状 大小丝束基于相同的技术路线，低成本依赖高通量优势024681012大丝束碳纤维小丝束碳纤维生产成本 元/公斤原丝加工SHANGHAI TANCHAIN NEW MATERIAL TECHNOLOGY CO.,LTD.碳纤维在风电叶片中的应用现状大丝束大丝束碳纤维规格抗拉强度/GPa杨氏模量/GPa吉林碳谷50K3.5235中复神鹰48K4.5260江苏恒神50K4.2250上海石化48K4.424060K4.9260Mitsubishi50K4.1240SGL50K4.0240Zoltek50K4.1242Toho50K4.3250台塑48K4.0240 大丝束碳纤维在结构

4、与性能上与小丝束近似 力学性能以通用级为主影响大丝束碳纤维力学性能的原因*T300级别湿纺原丝，固定展宽20mm，环境温度242 大丝束原丝预氧化过程 加热阶段内部升温缓慢 化学反应起始后内部聚热明显02468101214丝束内部温度升高幅度（）*12K24K48K72K96K影响大丝束碳纤维力学性能的原因4 小丝束(12K24K)升温迅速 反应稳定 大丝束(48K96K)升温缓慢(内外温差明显)热聚集现象严重 出现热失控反应不同丝束大小不同丝束大小(12K-96K)的温度变化示意图的温度变化示意图12K24K48K72K96KIndustrial&Engineering Chemistry

5、Research,2023,62(10),4399-4409 随着K数提高，丝束内外反应程度及性能差异加大 开发更高K数大丝束碳纤维 性能与产能的平衡风电用碳纤维发展趋势SAND2019-14173风电用碳纤维发展趋势 通过提升直径提升压缩强度叶片背风面压缩载荷叶片背风面压缩载荷碳纤维压缩强度低碳纤维压缩强度低叶片背风面增重叶片背风面增重提升碳纤维压缩强度提升碳纤维压缩强度风电用碳纤维发展趋势 多叶型（非圆形）截面 能在保持横截面积不变的情况下增加有效惯性矩，从而优化成本 成本模型显示，多叶型大丝束碳纤维有望将材料成本降低30%以上Sandia Wind Energy Program FY24 Accomplishments团队简介承担项目国家自然科学基金重点、面上项目多项国家“863”重大、探索专项国家“973”专项国家发改委产业化示范工程江苏省成果转化重点专项、自然科学基金项目中国石化重点科技开发项目多项 碳纤维结构与性能调控 大丝束碳纤维 活性碳纤维（强度1GPa）纳米碳纤维（丝束、无纺布）活性碳纤维毡纳米纤维无纺布碳纤维工程与碳纤维工程与技术研究室技术研究室大丝束碳纤维