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蹇锡高院士:新型杂环高性能树脂基复合材料在风电行业的应用展望

日期:2021-04-09    来源:东方风力发电网

国际风力发电网

2021
04/09
09:07
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关键词: 蹇锡高 风电叶片 风电设备

蹇锡高:各位领导、各位专家早上好。首先我很荣幸和大家进行这次交流,如果是时间限制了,交流的不好,我这里有这个联系方式,到时候我们还可以联系交流,这个我就不多说了。

我简单归纳了一下,能源材料我们讲的有很多,能源我们国家主要是这几个,别的就不说了。火电就会有污染,这个就是传统的了。水电,水电当然很好,我们现在有规划,喜马拉雅山的高山的水给它引过来,一级一级的发电,这也是很好的,但是它受地理限制。太阳能,太阳能非常好,清洁能源,但是太阳能也是受天气影响,白天和黑夜总是少不了的。但是风电就不一样了,风电也是一个绿色能源,只要地球在转,这个风是不会没有的,对吧?只不过是风大风小,这个不一样,有的地方风大,有的地方风小,所以这个就是用风能解决发电这个是最重要,也应该是最基本的,也是最值得关注的。当然前面好多专家也都提到了,叶片、叶轮转多大的角,这个对发电的效率和它的成本都有很大的影响,所以比较关注,当然它也不光是叶片,它是一个整体。

风电叶片的发展,刚才前面的专家谈到了,都在往大型化发展,为什么呢?因为你大的话,叶片大,一点风就可以转了,那么你转起来它的效率就高了。但是叶片越大对材料的要求也就越高、越苛刻,所以我们要做材料,下面的数据我就不讲了。

当然,除了尺寸以外还有一点,刚才也讲到了,要想做到这个,材料是基本,因为我们搞材料的经常讲,材料是一切科技的载体,没有材料什么都是空的。所以首先是要针对风电用的新材料进行发展,如果这个不发展那就有问题了。当然,有了材料,同样的材料你的结构设计也很重要,所以下面我就不多说了。

我讲一下高性能树脂合称与性能,我们现在讲的是航空航天材料都说到了实现高速轻量化远航节能,首先就是从材料入手,原理大家都知道,但是如果没有材料你就搞不上去。树脂高性能的复合材料,是不是高性能主要是从耐热温度来分的,这个我就不细解释了,大家都知道。那么高性能树脂应该就是在高热量的情况下要保持优异的综合性能的高分子材料,它在航空航天等等方面长期受西方国家的垄断。高性能的工程塑料的分类和结构特点,我这里说了一下,主要是含有芳环或者和芳杂环的聚合物,尤其是聚芳醚。有机高分子材料的突出的优点是轻,容易加工,比如你们桌子上的矿泉水瓶子,如果让你用金属去做会怎么样?让你做一个陶瓷的瓶子能不能做出来?这都是一个问题,对吧?可是我们要用塑料的话一个一个做的很快,就是因为它容易加工,很轻。但是有机高分子材料及树脂复合材料的弱点在哪儿?使用温度范围窄,特别是高温,这是一个弱点,所以朝着这个方向发展。

那么传统的高性能工程塑料存在什么问题呢?一个是溶解性和耐热性成反向变化关系,耐热温度越高,就越不溶解。还有一个就是加工方式单一,它不能用溶解的办法来加工,不能提纯,所以说这就有一点麻烦了。所以科学界、工业界都十分的关注要合成既耐高温又可以溶解的一些材料。

这是我们的一个思路,结构决定性能,所以从结构设计上出发,思路是什么?不溶解的原因就是因为它结晶,所以我们就引进非共平面的结构,让它不结晶。当然,结构变了,工艺条件也会做相应的改变,工艺方面主要催化体系和溶剂体系要做改变。

具体跟大家汇报一下我们的工作,这个DHPZ我们也叫二氮杂萘酮环,它是不在同一个平面上的,它的结构是一个扭曲非共面,它在这个平面上是不可能改变的,而旁边这个是不能在一个平面上的,为什么呢?因为如果在一个平面上,上面那个环的左边的那个氢和旁边的那个右上角的那个氢摆在一个平面上是会打架的,我们搞化学的都知道,你一算就知道了,所以你去模拟它,把氢点进去就会产生破坏。既然是非共平面,所以它就不结晶了,就改变了它不仅兼顾、耐高温还可以溶解的这个,所以它的聚合物就是这样产生的。

那么我们看一下高温下能不能保持优异的综合性能呢?我们看右上角这个是聚酰亚胺,聚酰亚胺在传统的高性能材料里面,它的综合性能是最好的,最优异的,无论是立学性能、耐热性能、电性能、耐核辐射性能都是最好的,但是它有一个致命的弱点,那就是耐蚀性很差。现在它不聚酰亚胺的优势都继承了下来,甚至超过它,核动力源,因为我们最早是用在核潜艇上的,这个已经不是保密了,耐核辐射的性能优于聚酰胺。所以这个性能就上来了。

那么我就举这两个例子,这个是PPESK,含二氮杂萘酮结构聚醚砜酮,这里我就不具体的说了。它这个250度是一个范围,它的高温性能,你们看它的热变形温度,它高出了100度。在说一个例子,就是PPENS,这个就是氰基,它的分子间距加大了,机械强度、阻燃性、耐热性都显著的提高了,这个数据这里有比较,我就不多说了。这个是获得了2011年国家技术发明二等奖,这个可以在300度以上使用。这个也获得了2015年的世界知识产权组织和中国知识产权局共同颁发的中国发明专利金奖,2016年的日内瓦国际发明奖的特别金奖。

这个是95公关,就是做百吨级的中试装置,这个装置还可以用,在市区,所以要挪地方,因为环境的要求。实际上到现在为止,1998年投产到现在没有一次事故,没有一个人投诉,我旁边就是儿童医院,院里就是我们学校的家属学生,但是地方有限,所以还是要把它搬走,搬到高新园区去。

由于功能的改变,它的优势体现出来了,刚才前面的领导和专家都提到了,有一个成本的问题,你再好成本太贵那也买不起,用不起,这个成本还低,性能好,成本低,它和PEEK的对比是相当于它的50%到70%的成本,其他的我就不多说了。因为这样一个机构,我们前面讲的是聚芳醚,现在它是一个耐高温又可以分解的综合性能,这个结论得到了行业内的认可,我们能不能用到别的聚芳醚之外呢?所以我们就把它做成了二酐、二胺、二酸等等。

下面这些应用我就不讲了,今天我主要讲的是复合材料,第四个部分我也不讲了。这个30%的玻璃纤维是德国的一家公司,这个是它的评价,最后它的数据是它的数据。这个德国公司在中国的办事处,他跟我说如果你买一公斤之内我给你到新加坡去买,但是如果超过一公斤,全世界都难,说到这里你们就知道了。你们可以看到,150度以下,他是70到150兆帕,提高了150,我们220度下和它150是一样的,那几个数据他没有告诉我,我就不知道了。它是用在汽车发动机里面的。

还有一个就是我们的风电也有轴承,所有转动的都有轴承,这里我们有一个耐磨的排号,两种排号,这里有数据。它的热度是270度以上,摩擦系数可以到0.06,这个首先是在核动力和其他航空方面用上的。

这个是航空轴承,这里我讲一下,这里有它的评价,这是航发集团给的评价,它用高速每分钟一万两千转连续下来,而且不加任何润滑剂,连续6000小时它都一切正常,所以现在就给了我们这个项目,要推广应用航空轴承。而且这个推广以后就可以把它用到我们的大船上,这个具体我就不讲了,这个图就是这样转的。我们拿出来就把它用到了华龙一号,华龙一号中央台也是报道了的,我就不多说了。

下面我讲一下连续纤维,因为我们这个是可溶解的,所以我的方法是和别人不一样的,我们的黏度比较低,它的效果比较好,缺陷就很容易把控,这是它的优点,而且操作是比较方便的。当然有的人想,你多了一个油剂,这个对化工来讲,回收油剂是一个很简单的一件事情。这是我们自己建的一个生产线,它还没有完善,主要是控制系统,现在正在调。

这就是我们压的一个板,我这里拿了一个,给大家展示一下,这个是压成的板,然后再压成这样一个槽钢型的,因为他是热缩性的,所以可以二次加工,当然也可以熔也可以回收,它的层间剪强度大于100兆帕。

我们上面讲的是二氮杂萘酮环,下面我讲这个我可能没有时间讲了。我们首先看一下这个四官能度的环氧,我们测试了一下,这是旋转测试性能,他是在160度左右的黏度是最低的。那么我们取150度,150度的时候,它有82分钟的时间黏度基本不变,就是它的工艺性是很好的,就是这个意思。再看它的力学性能,力学性能我这里有对比的,上面的就是复配的,下面是纯的AG80,DDS,你们可以看到这个提高了多少,冲击强度提高了45.5%,弯曲强度提高了46.2%,5%热失重分解温度提高了33度。这个是AG80的纯树脂,这个是加了我们的四官能环以后,它就提高了它的韧性。这个是弯曲强度,这个是层间剪切力,这个是AG80的和AG80加了我们这个材料的,层间剪切力提高到了92.4,弯曲强度提高到了2038,这个是加了我们的四官能环的,这个层间的结合力提高了。再看看它的阻拦性,阻拦性我这里有一个表,你们可以看,这是前面的一栏,那边是纯AG80加DDS,这边是加我们的四官能环,我们发现第一次点火离开火焰以后,那个AG80燃烧超过60秒,而配了30%的以后14秒就灭了,这是燃烧以后再来看它的断面,你们看两个对比,它要好得多。它为什么阻燃性好呢?因为含氮,有氮保护着,没有氧就燃烧不起来了,这是有关系的。我这里有一个表,这是E44,不是AG80的,我们可以看一下对照,它的弯曲模量提高了45.8恩%,弯曲强度提高了14.3%,它都是非常显著的。

下面我展望一下,材料是根本,刚才我前面讲了,说叶片要怎么怎么样,实际上这个整个风电的研发,包括轴承,这个轴承也是一样的,你用什么样的轴承,我现在科技部有一个项目是在航空上推广的。那么展望一下,首先我第一个的想法就是风电行业是值得我们用心去关注发展的,在这里投入,在座的很多老板都有钱,往哪儿投钱呢?我觉得这是一个正确的方向。

再一个是风电在持续的向叶片大尺寸方向发展,但是满足大尺寸方向的话,首先是要材料的创新,当然有了材料,有了结构,你这个叶片的分段式,它可以组装来做,这个就行了。所以要在这个方面,你能引领这个行业的发展,这是一个关键。

我就讲这些,这个是我们的团队,我还想感谢我们国家发改委科技部基金委省市政府的资助,支持是空的,资助才是真的,有钱才能干起来。这个是我们团队的一些师生。最后谢谢大家,恭祝各位天天都有好心情,心情好身体就好,身体好一切都好。谢谢。


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