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最近風電葉片碳纖維年用量超過2萬噸的現象引起了大家的關注，從碳纖維生產企業到復合材料生產廠家都紛紛涌入風電行業，希冀在這個行業撈到一桶金。作者希望通過本文與大家分享對碳纖維復合材料在風電葉片中大量應用的分析，并再一次共同探討國產碳纖維產業化之路。
1 風電葉片碳纖維用量劇增現象的剖析
近來碳纖維復合材料界傳遞著一個喜人的消息，就在四年前一些權威大佬認為碳纖維在風電葉片大量使用碳纖維為時尚早，風電行業領頭企業VESTAS瀕臨破產之際，2015年碳纖維在風電葉片上的全球應用就像2009年波音787首飛成功一樣，用量急劇增加，繼航空用碳纖維用量需求達到2萬噸之后，ZOLTEK的大絲束碳纖維變成市場上的槍手貨，需求超過2萬噸，VESTAS也轉虧為盈。在風電葉片的碳纖維用量中，VESTAS占了80%以上。以VESTAS中國供應商為主國內生產風電葉片碳纖維用量見表1，2018年江蘇澳盛和威海光威成了碳纖維的最大用戶，兩家的用量即將突破萬噸，市場上大絲束碳纖維供不應求。林剛先生連續四年為大家提供了全球碳纖維市場報告，作者將其中有關風電葉片的數據匯總見表2（2017年用量嚴兵的說法是24000噸，若按此數據修正的數據見表中括號所示）。其中風電葉片用碳纖維與其制品的單價在此進行了調整，從而其產值也相應發生了變化，2015年以前主要采用預浸料或織物的真空導入，部分采用小絲束碳纖維，因此平均價格高一些，近年來主要采用大絲束碳纖維拉擠梁片，價格降低了很多。從用量和制件產量來看是急劇增加，但創造的產值實際上是降低了。但正因為風電葉片（主要是大梁）碳纖維復合材料制品價格大幅降價，才成就了碳纖維用量的急劇增加，反映了引導工業領域大規模應用碳纖維的方向——“買得起”（Affordability）。
圖1所示是風電葉片大梁采用的3種工藝：預浸料鋪貼真空袋壓成型、織物預成型+真空導入和拉擠梁片，過去主要是前2種工藝，由于效率低、成本高，研究表明：按這樣的材料與工藝，只有40m以上的風電葉片使用碳纖維替代玻璃纖維才可能被用戶接受。實現風電葉片大梁低成本化的表觀主因是采用了高效低成本高質量的拉擠梁片工藝，但究其根源VESTAS在大梁結構的革命性創新設計才使拉擠梁片的使用成為可能，圖2所示是VESTAS的主梁結構示意圖。這種設計理念把整體化成型的主梁主體受力部分拆分為高效低成本高質量的拉擠梁片標準件，然后把這些標準件一次組裝整體成型，其優點表現為：1)通過拉擠工藝生產方式大大提高了纖維體積含量，降低了主體承載部分的重量；2)通過標準件的生產方式大大提高了生產效率，保證產品性能的一致性和穩定性；3)大大降低了運輸成本和最后組裝整體成型的生產成本；4)預浸料和織物都有一定的邊角廢料，拉擠梁片及整體灌注極少。按這種設計和工藝制造的碳纖維主梁，兆瓦級的葉片均可使用，大大擴展了碳纖維的使用范圍。風電葉片碳纖維用量的急劇增加證明了：碳纖維在工業領域應用的推動力必須是生產出全壽命成本優于其他材料結構的產品，即“買得起”的碳纖維復合材料產品，關鍵是“affordability”。 隨著對清潔能源的需求越來越大，國內外對風電葉片的需求也越來越大，面對這一巨大的市場，當前大絲束碳纖維供不應求，ZOLTEK正在積極擴產，國產碳纖維在風電葉片市場可以有所作為，國產碳纖維生產企業必須把握這一商機。
風電葉片的極大商機吸引了諸多國產碳纖維和風電葉片生產廠商的眼球，紛紛躍躍欲試試圖進入這一領域，瓜分一塊蛋糕。如上所述，碳纖維復合材料風電葉片工藝有3種，其中引發碳纖維用量急劇增長的工藝就是拉擠梁片，由于前兩種工藝成本高，雖有一定的需求，但增長不會太快，因此國產碳纖維及其制品生產商家瞄準的是采用拉擠梁片的工藝方法和所用的碳纖維。國產碳纖維進入風電葉片應用有兩種方式：
1) 研發出與ZOLTEK大絲束碳纖維性能相當，成本接近或更低的碳纖維，直接進入VESTAS供應鏈（畢竟VESTAS的用量占據該領域碳纖維用量的80%以上）或采用類似設計與工藝方法的其他葉片生產商；
2) 借鑒VESTAS的經驗，避開VESTAS的專利，按國產碳纖維的性能特點，完全自主開發新的主梁結構設計和工藝生產模式，研發出全壽命成本接近或低于VETAS葉片的產品。
3 性價比與Zoltek大絲束相當的碳纖維
無論是成為VESTAS供應商還是采用類似設計與工藝方法的其他葉片生產商，前提條件的研發出性價比與Zoltek大絲束相當的碳纖維，包括48k以上的大絲束碳纖維或24k的濕噴濕紡小絲束碳纖維。
上述兩種途徑中首選一定是與ZOLTEK相當的大絲束碳纖維，但大絲束碳纖維的工藝技術與國內熟悉的小絲束碳纖維差別很大，即使東麗公司探索了多年仍未取得突破，為了占領大絲束碳纖維市場，斷然采取并購ZOLTEK的方式。國內碳纖維界多年前即認識到大絲束碳纖維在工業領域應用的前景，只是苦于缺乏此項技術，遲遲未有進展。近年來吉林精功和上海金山石化在大絲束碳纖維領域取得了技術突破，特別是吉林精功已進入批量化生產，但性能及其穩定性與ZOLTEK尚有差距，進入風電葉片應用難度很大。
國內在12k小絲束T300級的開發方面已有多年歷史，其性能及其穩定性與Zoltek大絲束碳纖維相比應該不相上下，近年來又在此基礎上開發出24k以上的濕噴濕紡小絲束碳纖維，其性能也應不相上下，只是在成本上與Zoltek大絲束碳纖維無法匹敵。但在國內市場上考慮到進口稅和增值稅，目前國產24k T300級小絲束碳纖維還略有優勢，因此很多國內風電葉片生產商對采用國產碳纖維躍躍欲試，但風電葉片畢竟對安全性有很高的要求，Zoltek大絲束碳纖維在風電葉片中已有成熟的應用，而如何評定國產碳纖維與Zoltek碳纖維的等同性是所有風電葉片生產商最大的疑慮。
國內從上世紀80年代引進海豚直升機生產線后，一直試圖將從法國進口的預浸料國產化，由于缺乏等同性的評價體系，當初僅僅是樹脂國產化就進行了10年，仍無法給出明確的結論，而無法實現哪怕僅僅樹脂替代的預浸料國產化。軍用飛機從上世紀80年代初開始使用東麗T300碳纖維，本世紀初東麗T300的供應出現問題，從1000元/kg升至8000元/kg，從非正常渠道進口的東麗T300仍有價無市，致使軍機生產幾乎處于無米下鍋的處境。在軍機用碳纖維國產化的過程中，除民營企業家的家國情懷研發出了合格的國產航空碳纖維外，航空碳纖維及其復合材料穩定性和等同性的評價體系（將另文介紹）建立也作出了重要的貢獻。在這套體系的指導下我國軍機復合材料實現了國產化，走出了依賴東麗碳纖維的困境。
經過這十幾年的發展，當前國產T300級小絲束碳纖維的性能及其穩定性，以及產能均取得了飛躍的進步，實際上與Zoltek大絲束碳纖維相比未必有很大的差距，只是苦于沒有適當的評價體系來給出明確的答案。風電葉片行業可以在已有軍機碳纖維及其復合材料穩定性和等同性的評價體系基礎上，根據風電葉片的產業特點略加改進，就可以制訂出風電葉片行業的評價體系。風電葉片行業可以參照航空復合材料供應商的評價與管理經驗，對國產碳纖維的質量穩定性進行評估，并制訂嚴格的管理體系保證后續供應原材料性能的穩定性。國產碳纖維一定可以成為國產風電葉片的原材料，從而實現國產碳纖維的萬噸級供應。同時國產大絲束碳纖維也可以按同樣的評價體系評定其性能及其穩定性，從而進入工業領域大批量應用。
4 國產碳纖維復合材料風電葉片的研發
前面討論的是國產碳纖維及其復合材料的穩定性和等同性，這只是解決了國產碳纖維是否可用的問題。其實國產風電葉片是否一定要嚴格遵守VESTAS的設計、制造和材料規范呢？目前很多國內的風電葉片生產商組建了自己的設計和工藝制造團隊，團隊中包含有一些具有VESTAS背景，知悉VESTAS專利的成員，希冀模仿或復制VESTAS的成功模式，很快開發出基于國產碳纖維性能特點的風電葉片。這種方式的前提是必須按照國產碳纖維當前的性能指標，制訂符合國產碳纖維性能特點的材料規范，獨立自主地開發碳纖維復合材料風電葉片結構，包括設計和工藝制造。
眾所周知碳纖維作為實現輕量化的主要優勢是在滿足一定強度要求的前提下，具有其他材料不具備的高比模量。熟悉復合材料結構設計的設計人員都知道，目前無論T300、T700還是T800，作為結構材料其拉伸強度都是有富余的（對壓力容器強度要求可能更重要），T800之所以能替代T300，成為能實現飛機結構進一步減重的第二代碳纖維，主要是比T300（230MPA）高30%的拉伸模量（294MPa）。作者在2011年就曾建議，為什么國產碳纖維的性能指標一定要與東麗碳纖維看齊呢？中簡和恒神研發的創新型T700級碳纖維（強度4900MPa，模量256GPa），其復合材料性能已接近T800，可以比T300實現更多的減重。國產濕噴濕紡T300級碳纖維的工藝特點表明，實現類似的指標在工藝上是比較容易實現的。目前眾多國產碳纖維生產的濕噴濕紡T300級碳纖維，是否可以改變思路，不拘泥于ZOLTEK碳纖維的性能指標，適當提高拉伸模量，保持目前的拉伸強度不變或略低一些，從而可以使風電葉片實現更多的減重呢？目前的現實是國內復合材料產品（包括體育休閑產品、風電葉片等）制造商長期以來一直習慣于來料加工，或購買產品圖紙進行生產，從材料到產品結構直至生產工藝只是知其然不知其所以然，特別是材料性能指標必須與國外保持一致，不能越雷池一步。因此在缺乏對風電葉片結構設計知識深入了解的背景下，不是少數幾個有VESTAS背景的技術人員就可以輕易開發出可以與VESTAS葉片匹敵的國產風電葉片。例如為了理解波音公司給出的拉伸設計值3500μe，壓縮設計值2700μe，國內航空復合材料界花費的時間超過了10年。復合材料界經常說；設計是龍頭、材料是基礎、制造是關鍵、應用是目的、維護是保障，其中低成本化突破的關鍵首先是設計，用國產碳纖維開發出性價比優于VESTAS風電葉片的必要條件是：不受VESTAS風電葉片的材料規范及設計理念束縛，按不同于ZOLTEK碳纖維的性能指標，獨立自主開發出能滿足結構完整性要求的真正國產碳纖維復合材料風電葉片。
5 原材料的全產業鏈
復合材料行業的技術人員都知道，僅有碳纖維對用戶是沒有意義的，只有碳纖維加上與之匹配的樹脂（有時上漿劑）才會形成復合材料結構。傳統玻璃纖維行業只注重纖維本身的品質和生產，多數樹脂科從市場上采購。對碳纖維來說，通常用于高性能結構，對纖維與樹脂的匹配有很高的要求，同時碳纖維復合材料為發揮其高性能，必須要求精細化設計和制造，不同的工藝需要不同的樹脂，科技日報記者提到的卡脖子工程包括與高性能纖維匹配的環氧樹脂是有一定道理的。航空用樹脂無法從國外得到，作者已另文說明，同樣風電葉片用與國產碳纖維匹配的樹脂也是沒有貨架產品的，必須在應用過程中同時開發。盡管國內環氧樹脂的生產已在世界上占有一席之地，但用于風電葉片與國產碳纖維匹配的環氧樹脂仍是空白。作為國產碳纖維風電葉片的產業化，相應的樹脂開發和批量生產也是國內環氧樹脂界的巨大市場。復合材料產品開發的特點是設計、材料、工藝、制造技術人員密切配合，風電葉片用樹脂研發人員必須參與其中。
1 風電葉片碳纖維用量劇增現象的剖析
近來碳纖維復合材料界傳遞著一個喜人的消息，就在四年前一些權威大佬認為碳纖維在風電葉片大量使用碳纖維為時尚早，風電行業領頭企業VESTAS瀕臨破產之際，2015年碳纖維在風電葉片上的全球應用就像2009年波音787首飛成功一樣，用量急劇增加，繼航空用碳纖維用量需求達到2萬噸之后，ZOLTEK的大絲束碳纖維變成市場上的槍手貨，需求超過2萬噸，VESTAS也轉虧為盈。在風電葉片的碳纖維用量中，VESTAS占了80%以上。以VESTAS中國供應商為主國內生產風電葉片碳纖維用量見表1，2018年江蘇澳盛和威海光威成了碳纖維的最大用戶，兩家的用量即將突破萬噸，市場上大絲束碳纖維供不應求。林剛先生連續四年為大家提供了全球碳纖維市場報告，作者將其中有關風電葉片的數據匯總見表2（2017年用量嚴兵的說法是24000噸，若按此數據修正的數據見表中括號所示）。其中風電葉片用碳纖維與其制品的單價在此進行了調整，從而其產值也相應發生了變化，2015年以前主要采用預浸料或織物的真空導入，部分采用小絲束碳纖維，因此平均價格高一些，近年來主要采用大絲束碳纖維拉擠梁片，價格降低了很多。從用量和制件產量來看是急劇增加，但創造的產值實際上是降低了。但正因為風電葉片（主要是大梁）碳纖維復合材料制品價格大幅降價，才成就了碳纖維用量的急劇增加，反映了引導工業領域大規模應用碳纖維的方向——“買得起”（Affordability）。
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2 風電葉片使用國產碳纖維的機會風電葉片的極大商機吸引了諸多國產碳纖維和風電葉片生產廠商的眼球，紛紛躍躍欲試試圖進入這一領域，瓜分一塊蛋糕。如上所述，碳纖維復合材料風電葉片工藝有3種，其中引發碳纖維用量急劇增長的工藝就是拉擠梁片，由于前兩種工藝成本高，雖有一定的需求，但增長不會太快，因此國產碳纖維及其制品生產商家瞄準的是采用拉擠梁片的工藝方法和所用的碳纖維。國產碳纖維進入風電葉片應用有兩種方式：
1) 研發出與ZOLTEK大絲束碳纖維性能相當，成本接近或更低的碳纖維，直接進入VESTAS供應鏈（畢竟VESTAS的用量占據該領域碳纖維用量的80%以上）或采用類似設計與工藝方法的其他葉片生產商；
2) 借鑒VESTAS的經驗，避開VESTAS的專利，按國產碳纖維的性能特點，完全自主開發新的主梁結構設計和工藝生產模式，研發出全壽命成本接近或低于VETAS葉片的產品。
3 性價比與Zoltek大絲束相當的碳纖維
無論是成為VESTAS供應商還是采用類似設計與工藝方法的其他葉片生產商，前提條件的研發出性價比與Zoltek大絲束相當的碳纖維，包括48k以上的大絲束碳纖維或24k的濕噴濕紡小絲束碳纖維。
上述兩種途徑中首選一定是與ZOLTEK相當的大絲束碳纖維，但大絲束碳纖維的工藝技術與國內熟悉的小絲束碳纖維差別很大，即使東麗公司探索了多年仍未取得突破，為了占領大絲束碳纖維市場，斷然采取并購ZOLTEK的方式。國內碳纖維界多年前即認識到大絲束碳纖維在工業領域應用的前景，只是苦于缺乏此項技術，遲遲未有進展。近年來吉林精功和上海金山石化在大絲束碳纖維領域取得了技術突破，特別是吉林精功已進入批量化生產，但性能及其穩定性與ZOLTEK尚有差距，進入風電葉片應用難度很大。
國內在12k小絲束T300級的開發方面已有多年歷史，其性能及其穩定性與Zoltek大絲束碳纖維相比應該不相上下，近年來又在此基礎上開發出24k以上的濕噴濕紡小絲束碳纖維，其性能也應不相上下，只是在成本上與Zoltek大絲束碳纖維無法匹敵。但在國內市場上考慮到進口稅和增值稅，目前國產24k T300級小絲束碳纖維還略有優勢，因此很多國內風電葉片生產商對采用國產碳纖維躍躍欲試，但風電葉片畢竟對安全性有很高的要求，Zoltek大絲束碳纖維在風電葉片中已有成熟的應用，而如何評定國產碳纖維與Zoltek碳纖維的等同性是所有風電葉片生產商最大的疑慮。
國內從上世紀80年代引進海豚直升機生產線后，一直試圖將從法國進口的預浸料國產化，由于缺乏等同性的評價體系，當初僅僅是樹脂國產化就進行了10年，仍無法給出明確的結論，而無法實現哪怕僅僅樹脂替代的預浸料國產化。軍用飛機從上世紀80年代初開始使用東麗T300碳纖維，本世紀初東麗T300的供應出現問題，從1000元/kg升至8000元/kg，從非正常渠道進口的東麗T300仍有價無市，致使軍機生產幾乎處于無米下鍋的處境。在軍機用碳纖維國產化的過程中，除民營企業家的家國情懷研發出了合格的國產航空碳纖維外，航空碳纖維及其復合材料穩定性和等同性的評價體系（將另文介紹）建立也作出了重要的貢獻。在這套體系的指導下我國軍機復合材料實現了國產化，走出了依賴東麗碳纖維的困境。
經過這十幾年的發展，當前國產T300級小絲束碳纖維的性能及其穩定性，以及產能均取得了飛躍的進步，實際上與Zoltek大絲束碳纖維相比未必有很大的差距，只是苦于沒有適當的評價體系來給出明確的答案。風電葉片行業可以在已有軍機碳纖維及其復合材料穩定性和等同性的評價體系基礎上，根據風電葉片的產業特點略加改進，就可以制訂出風電葉片行業的評價體系。風電葉片行業可以參照航空復合材料供應商的評價與管理經驗，對國產碳纖維的質量穩定性進行評估，并制訂嚴格的管理體系保證后續供應原材料性能的穩定性。國產碳纖維一定可以成為國產風電葉片的原材料，從而實現國產碳纖維的萬噸級供應。同時國產大絲束碳纖維也可以按同樣的評價體系評定其性能及其穩定性，從而進入工業領域大批量應用。
4 國產碳纖維復合材料風電葉片的研發
前面討論的是國產碳纖維及其復合材料的穩定性和等同性，這只是解決了國產碳纖維是否可用的問題。其實國產風電葉片是否一定要嚴格遵守VESTAS的設計、制造和材料規范呢？目前很多國內的風電葉片生產商組建了自己的設計和工藝制造團隊，團隊中包含有一些具有VESTAS背景，知悉VESTAS專利的成員，希冀模仿或復制VESTAS的成功模式，很快開發出基于國產碳纖維性能特點的風電葉片。這種方式的前提是必須按照國產碳纖維當前的性能指標，制訂符合國產碳纖維性能特點的材料規范，獨立自主地開發碳纖維復合材料風電葉片結構，包括設計和工藝制造。
眾所周知碳纖維作為實現輕量化的主要優勢是在滿足一定強度要求的前提下，具有其他材料不具備的高比模量。熟悉復合材料結構設計的設計人員都知道，目前無論T300、T700還是T800，作為結構材料其拉伸強度都是有富余的（對壓力容器強度要求可能更重要），T800之所以能替代T300，成為能實現飛機結構進一步減重的第二代碳纖維，主要是比T300（230MPA）高30%的拉伸模量（294MPa）。作者在2011年就曾建議，為什么國產碳纖維的性能指標一定要與東麗碳纖維看齊呢？中簡和恒神研發的創新型T700級碳纖維（強度4900MPa，模量256GPa），其復合材料性能已接近T800，可以比T300實現更多的減重。國產濕噴濕紡T300級碳纖維的工藝特點表明，實現類似的指標在工藝上是比較容易實現的。目前眾多國產碳纖維生產的濕噴濕紡T300級碳纖維，是否可以改變思路，不拘泥于ZOLTEK碳纖維的性能指標，適當提高拉伸模量，保持目前的拉伸強度不變或略低一些，從而可以使風電葉片實現更多的減重呢？目前的現實是國內復合材料產品（包括體育休閑產品、風電葉片等）制造商長期以來一直習慣于來料加工，或購買產品圖紙進行生產，從材料到產品結構直至生產工藝只是知其然不知其所以然，特別是材料性能指標必須與國外保持一致，不能越雷池一步。因此在缺乏對風電葉片結構設計知識深入了解的背景下，不是少數幾個有VESTAS背景的技術人員就可以輕易開發出可以與VESTAS葉片匹敵的國產風電葉片。例如為了理解波音公司給出的拉伸設計值3500μe，壓縮設計值2700μe，國內航空復合材料界花費的時間超過了10年。復合材料界經常說；設計是龍頭、材料是基礎、制造是關鍵、應用是目的、維護是保障，其中低成本化突破的關鍵首先是設計，用國產碳纖維開發出性價比優于VESTAS風電葉片的必要條件是：不受VESTAS風電葉片的材料規范及設計理念束縛，按不同于ZOLTEK碳纖維的性能指標，獨立自主開發出能滿足結構完整性要求的真正國產碳纖維復合材料風電葉片。
5 原材料的全產業鏈
復合材料行業的技術人員都知道，僅有碳纖維對用戶是沒有意義的，只有碳纖維加上與之匹配的樹脂（有時上漿劑）才會形成復合材料結構。傳統玻璃纖維行業只注重纖維本身的品質和生產，多數樹脂科從市場上采購。對碳纖維來說，通常用于高性能結構，對纖維與樹脂的匹配有很高的要求，同時碳纖維復合材料為發揮其高性能，必須要求精細化設計和制造，不同的工藝需要不同的樹脂，科技日報記者提到的卡脖子工程包括與高性能纖維匹配的環氧樹脂是有一定道理的。航空用樹脂無法從國外得到，作者已另文說明，同樣風電葉片用與國產碳纖維匹配的樹脂也是沒有貨架產品的，必須在應用過程中同時開發。盡管國內環氧樹脂的生產已在世界上占有一席之地，但用于風電葉片與國產碳纖維匹配的環氧樹脂仍是空白。作為國產碳纖維風電葉片的產業化，相應的樹脂開發和批量生產也是國內環氧樹脂界的巨大市場。復合材料產品開發的特點是設計、材料、工藝、制造技術人員密切配合，風電葉片用樹脂研發人員必須參與其中。
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