复合材料在节能和能源开发中的应用

      一、应用于汽车结构件发挥节能作用

      轻量化是汽车发展的重要方面，是汽车节能的重要手段之一。目前开发的新能源汽车，如电动汽车、氢能汽车、太阳能汽车等，轻量化具有特别重要的意义。设计新颖结构，采用轻质高强材料，是实现汽车轻量化重要途径。高性能复合材料的应用使汽车“轻量化”上升到一个新水平。用该材料取代金属，可将许多零件组合成单个部件，形成功能化模块装配汽车，例如全塑结构的轿车总重1255公斤，而用钢结构轿车平均重量为1825公斤，二者比每辆车减轻570公斤，将意味可节约燃料消耗25%左右，节能效果相当显著。简言之有以下优点：

      1、节约制造成本。设计上可减少一半装配件、汽车总制造成本下降。
      2、使用寿命长和维护方便。
      3、明显节约能源：一方面汽车自重减轻，减少燃料消耗，另从制造角度出发也降低了能耗，见表1。

           表1 制造一个汽车零部件所需能量比较（％）
 

      注：所有金属制品消耗能量各为100%来比较。

      二、复合材料在高速列车上的应用

      在火车车厢制造领域早已应用复合材料，如双层玻璃钢车厢等。随着火车的提速，特别是出现高速列车后，复合材料正成为越来越重要的一类材料。列车车体结构的重量在整列车中所占的比例较大。因此，提高列车速度要解决列车轻量化，就必须先考虑车体结构的轻量化。过去人们习惯把铝合金作为车体轻量化的首选材料，由于轻量化的要求越来越高，于是人们把目光注意到复合材料上来。复合材料除用作内部设备的装饰材料外，在承重结构上的应用也越来越广泛，用复合材料制成的构件，重量轻、强度高、刚性大，是一种理想的结构件。主要应用有：意大利ETR500高速列车的车头，法国国营铁路公司（SNCF）的双层TGV挂车，德国Dainier Benz 集团的转向架构架、车轴、车轮；日本新干线的高速列车中，采用复合材料制作的车窗内饰、洗漱间、厕所、小便池、水箱、集便箱、车前头盖板、双层客车两端顶、兼作空调风道的天花板，以及早已应用的轨枕等等。

      三、在风能方面的应用

       风能是绿色、环保、可再生能源，与生俱来，与天同在，取之不尽，用之不竭。风力发电是新能源中开发较早、应用广、技术最成熟的可再生清洁能源。早在1891年在丹麦建立了首个发电风场。随着风力发电技术的成熟，制造成本的不断下降，发电成本也逐年下降，加上各国政府的政策扶持，自上世纪70年代世界石油危机以来，风能资源的开发利用逐步得到发展。尤其到90年代，随着科学技术的进步，风力发电从可再生清洁能源中脱颖而出，成为最具有工业开发价值的一种新能源，世界风电正以迅猛的速度发展。1994～2000年，全世界风电装机容量年平均增长率为31%。2001年全球风电增长38%。2005年，全世界风电的总装机容量为59322MW，中国1260MW，排名世界第八、亚洲第二，落后于印度。2006年《中华人民共和国可再生能源法》开始执行，凤电产业飞速发展，新增装机容量1337MW，比过去20年的累计数量还多。2006年，中国除台湾外累计风电机组3311台，装机容量2599MW，年增长率达105%，由世界第八位跃进到第六位。据国家发改委的计划安排，我国的装机容量2010年达5000MW，2015年达15000MW，2020年达30000MW。拟占当时国内总发电量的15%左右。欧洲风能协会的风能目标是到2020年，全世界的装机总容量为150000MW。现在风能发电成本已下降到1980年的1/5，加上对低发电成本和环保要求的提高，风能发电在商业上将完全具有很强的竞争能力。

       在发电设备中风力发动机的叶片是关键部件，约占总成本的15～20%。目前大型风力发动机的叶片基本上由各种复合材料制成，因此，叶片技术与复合材料技术密切相关。同时复合材料还用在机舱罩、轮毂、塔架等部位。目前，为降低发电成本，要求单机容量越来越大，叶片越来越长，据说叶片每增长6%，捕获的风能可增加12%。因此，世界上已在研发5MW以上，长达50米以上的叶片，更进一步将向7～10MW、长达60米以上的叶片发展。叶片大型化的同时，还要求轻量化、低成本化和高性能化，即满足安全、可靠和寿命的前提下要求质量轻、成本低、功率高。为此要进行设计、材料体系和制造技术上的系列革新。目前我国的风机叶片技术已制造1.5～2.0MW，长达35～37米的叶片，研发计划向2.5～3.0MW、长达40米以上的叶片前进。

      复合材料叶片主要用的材料体系包括各种增强材料（E•S玻纤、聚乙烯纤维、碳纤维等）、基体材料（聚酯、环氧、乙烯基等）、泡沫塑料、胶粘剂和各种辅助材料等。

      制造工艺从湿法手糊、干法铺设、直到RTM(树脂转移模塑法)。RTM法中又进一步发展为VARTM（真空辅助RTM）和SCRTMP（西曼复合材料焙塑成形法）。

      叶片设计包括气动外形设计和结构设计，还有防雷击系统设计等。叶片向轻量化和智能化发展：材料上开始逐步使用碳纤维，采用混杂复合材料，设计上革新叶片的气动外形，改进设计准则，精确载荷分析，发展专用的设计分析软件等；制造工艺上开始采用自动下料机、自动铺层技术，加速制造的自动化进程，降低生产制造成本等。最近提出叶片新的研发理念，叫作“未来叶片的观念”（Future Blade Concept），集中在要捕获更多的风能，并使之智能化、更可靠、更耐用。