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▲超大型玻璃纖維風(fēng)電葉片。
受訪單位供圖
8月28日，2024年度重慶市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)?wù)浇視裕貞c國際復(fù)合材料股份有限公司（下稱國際復(fù)材）等單位完成的“超大型高模量玻璃纖維風(fēng)電葉片關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目，獲得重慶市科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
風(fēng)電葉片是風(fēng)電所需的關(guān)鍵部件，風(fēng)機(jī)的功率與風(fēng)輪掃風(fēng)面積（即葉片長度的平方）成正比，換句話說，要捕獲更多風(fēng)能、提高發(fā)電效率、降低每度電的成本，最有效的途徑就是制造更長的葉片。
從10多年前起，全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)逐漸向風(fēng)機(jī)大型化發(fā)展，然而，葉片長度的增加，會(huì)帶來重量和承受的風(fēng)載急劇增加，導(dǎo)致葉片產(chǎn)生巨大的彎曲變形。要發(fā)展超長葉片，就必須解決“剛度不足”和“重量失控”的技術(shù)難題。
“高模量玻璃纖維是一種剛度極高的增強(qiáng)材料，主要應(yīng)用于風(fēng)電葉片的主梁上。”國際復(fù)材董事長江凌介紹，高模量玻璃纖維能極大地提升葉片的抗彎曲能力，保障超長葉片的安全性，同時(shí)能有效控制并減輕葉片重量，提升疲勞性能。
實(shí)際上，早在2010年，國際復(fù)材就成功研發(fā)出模量為90GPa（吉帕）的高模量玻璃纖維生產(chǎn)線，能支撐90米以下風(fēng)電葉片長度，填補(bǔ)了國內(nèi)高模玻璃纖維產(chǎn)品空白。這一長度，已經(jīng)是當(dāng)時(shí)業(yè)內(nèi)的最高水平。
但是，如果要往模量更高、風(fēng)電葉片更長發(fā)展，使葉片達(dá)到百米級(jí)，不僅國際復(fù)材做不到，當(dāng)時(shí)全球都沒有相關(guān)技術(shù)。
是否對(duì)百米級(jí)風(fēng)電葉片發(fā)起攻關(guān)？2015年，這一道難題擺在了國際復(fù)材面前。
“研發(fā)，全靠摸著石頭過河，不僅風(fēng)險(xiǎn)大，投入也大。不研發(fā)，按照市場發(fā)展的趨勢(shì)，可能就面臨被淘汰的命運(yùn)！”江凌坦言。
經(jīng)過公司內(nèi)部反復(fù)研判，國際復(fù)材最終決定：自主研發(fā)超高模量玻璃纖維，必須啃下這塊“硬骨頭”。
投入5000多萬元，重新建立實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)線，引進(jìn)更多專業(yè)人才，組成新的攻堅(jiān)團(tuán)隊(duì)……一場沒有硝煙的關(guān)鍵核心技術(shù)攻堅(jiān)戰(zhàn)在國際復(fù)材打響。
“通過產(chǎn)學(xué)研合作，我們成功攻克了一系列技術(shù)難題，尤其是在超高模量玻璃配方設(shè)計(jì)開發(fā)、玻璃纖維表面處理技術(shù)、高玻纖含量拉擠板成型、超大型葉片設(shè)計(jì)及制造等方面，都已達(dá)到國際先進(jìn)水平。”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人黃偉九說。
這并不容易。以超高模量玻璃配方設(shè)計(jì)開發(fā)為例，團(tuán)隊(duì)耗時(shí)兩年多，對(duì)百余組玻璃纖維配方進(jìn)行了試驗(yàn)，才最終得以突破。在中試車間，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在炎炎夏日，頂著50多攝氏度的高溫，蹲守在熔爐邊上，尋找玻璃纖維“拉絲不成型”的原因……
功夫不負(fù)有心人。2018年底，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研發(fā)生產(chǎn)出95GPa的超高模量玻璃纖維。2024年初，國際復(fù)材又推出迭代升級(jí)產(chǎn)品，模量達(dá)到100GPa，其制作的風(fēng)電葉片長度可超過110米，即使在遭遇千噸拉力后，仍能瞬間復(fù)原，哪怕是極端暴風(fēng)雪天氣，葉片也能抵御形變。
目前，由該項(xiàng)目研發(fā)的主要產(chǎn)品已經(jīng)獲得英國勞氏（LR）、挪威船級(jí)社（DNV）、美國FDA、中國船級(jí)社等產(chǎn)品認(rèn)證，已形成國家標(biāo)準(zhǔn)20項(xiàng)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)。
據(jù)介紹，目前，項(xiàng)目成果在國際復(fù)材、重慶風(fēng)渡新材料有限公司、重慶重通成飛新材料有限公司等形成了高模量玻璃材料、風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)及制造等風(fēng)電葉片全產(chǎn)業(yè)鏈。
“2024年底，我國風(fēng)電能源占比達(dá)9.1%，已成為國家新型能源體系的重要組成部分。未來，隨著風(fēng)電規(guī)模的不斷提升，我們還將迎來更大發(fā)展機(jī)遇。”江凌表示，隨著設(shè)計(jì)的風(fēng)電葉片長度不斷突破新紀(jì)錄，國際復(fù)材將持續(xù)聯(lián)合產(chǎn)業(yè)鏈上下游，協(xié)同推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研合作，不斷深入研究大尺寸風(fēng)電葉片在不同工況條件下，材料疲勞、老化等長期性能模型，進(jìn)一步開發(fā)超高模量玻璃纖維與碳纖維、芳綸纖維等其它高性能材料復(fù)合協(xié)同技術(shù)，推動(dòng)我國風(fēng)電行業(yè)的技術(shù)發(fā)展，助力重慶打造萬億級(jí)先進(jìn)材料產(chǎn)業(yè)集群。
▲國際復(fù)材高性能玻纖智能制造生產(chǎn)線。受訪者供圖
據(jù)了解，除了風(fēng)電行業(yè)，目前，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研發(fā)的超高模量玻璃纖維還逐步推廣應(yīng)用于其他行業(yè)領(lǐng)域，比如軌道交通、新能源汽車、光伏與基建、航空航天等。
未來，團(tuán)隊(duì)將持續(xù)推進(jìn)技術(shù)迭代，進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品性能，從而拓展產(chǎn)品應(yīng)用邊界，推動(dòng)超高模量玻璃纖維從風(fēng)電向多領(lǐng)域滲透，通過不斷的技術(shù)升級(jí)和產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，加速其在低碳經(jīng)濟(jì)、高端制造、航空航天等其他領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用。