風電機組設計——材料篇

《風電機組設計——材料篇》是一本系統介紹風機葉片材料的綜合教材，旨在向廣大讀者介紹風機葉片材料領域的基本原理、傳統材料和新型材料的應用以及前沿技術的發展趨勢。通過對風機葉片材料的全面講解，希望讀者能夠深入了解風機葉片材料的力學基礎、傳統材料和新型材料的特點與優劣，并對未來材料科學的發展方向進行展望與思考。
本教材共分為6章，每章均以具體的主題展開，同時各章內容之間又有一定的連貫性。第1章為緒論，簡要介紹本教材內容的研究背景、目的和意義，以及教材的概要結構，使讀者對教材內容有一個整體了解。第2章重點探討風機葉片的力學基礎，包括載荷及其作用、應力、應變和變形等，為后續章節提供必要的理論基礎。第3章圍繞復合材料和傳統材料的應用展開，詳細介紹目前廣泛應用于風機葉片制造的鋼、鋁和復合材料等的特點和相關技術。第4章重點介紹新型復合材料的應用，包括新型纖維增強材料、生物基復合材料、新型涂層材料等，以及這些材料在風機葉片中的應用和制備技術。第5章深入探討風機葉片領域的前沿話題，包括微結構設計、智能材料在風機葉片中的應用、3D 打印技術等。第6章在總結全書主要內容的基礎上，對現有技術的局限性進行分析，并展望材料科學的未來發展趨勢。
編寫本教材的過程中，筆者秉持科學、全面、系統的原則，力求將復雜的材料科學知識以簡潔明了的方式呈現給讀者。希望本教材能成為廣大讀者在風機葉片材料領域學習和研究的參考資料。
本書得到了華北電力大學研究院雙一流建設經費的資助，在此致以誠摯的謝意！ 同時，感謝所有對本教材編寫和出版做出貢獻的人員和機構，以及所有支持和關注本教材的讀者。
由于筆者水平有限，書中不妥之處，敬請讀者批評指正！

王鵬

王鵬，華北電力大學，教授。攻讀博士學位期間以及工作后一直從事功能化微納米材料的構筑、機理分析及其性能評價方面的研究，尤其是對微納米結構的構筑和氟化改性進行了大量的研究工作，積累了豐富的研究經驗。入職華電以后，依托于河北省輸變電設備安全防御實驗室，開展電力裝備防護與絕緣失效機制的研究工作。近年來，以將超疏水材料應用于電力系統外絕緣為切入點，實驗與理論相結合，取得了一系列創新性成果。近5年，以一作在SCI收錄期刊上發表論文15篇(在top期刊發表論文7篇，包括Composites Science and Technology、Journal of Materials Chemistry A、Chemical Engineering Journal等)。作為項目負責人，主持國家自然科學基金面上項目《二維氧化鎂微納結構的可控制備及其超疏水絕緣子防治綠藻附生的研究》(51977079)，國家自然青年科學基金《石墨烯半導體超疏水涂層的構筑及其絕緣子防覆冰性能研究》(51607067，獲評基金委電工學科優秀結題項目)，河北省自然科學青年基金項目等多項國家與省部級基金。2017年，先后入選中國電機工程學會青年人才托舉工程和河北省“三三三”人才工程。

本書是一本涵蓋風機葉片材料領域廣泛知識的綜合教材。全書共6 章，主要介紹風機葉片在實際使用中所承受的載荷和作用，風機葉片制造的傳統金屬材料和金屬基復合材料、生物基復合材料、新型涂層材料等新型材料的應用，當前風機葉片材料領域的前沿話題，風機葉片材料應用過程中存在的問題和亟待解決的技術難題，最后對風機葉片材料領域未來的發展趨勢進行分析和展望。各章內容都具有獨立性，同時各章內容之間也具有一定的連貫性，為讀者提供了全面而系統的風機葉片材料知識。
本書可以作為能源與動力工程等相關專業師生的教材，也適合從事相關研究的學者、工程師，或者從事風機葉片制造與設計的技術人員閱讀，希望讀者能從本書中獲得一定的知識，并在實際應用和研究中做出更加明智的決策。

第1章　緒論001
1.1　飛速發展的風力發電需求001
1.1.1　全球能源需求和環境挑戰001
1.1.2　可再生能源的崛起與風力發電的興起003
1.1.3　風力發電的歷史006
1.1.4　風力渦輪機及其葉片的關鍵作用010
1.1.5　風力渦輪機葉片材料的發展歷程011
1.1.6　風力渦輪機葉片材料的重要性012
1.1.7　新興材料和前沿技術的涌現013
1.2　本教材的意義014
1.3　教材概述015

第2章　風機葉片的力學基礎016
2.1　風機葉片的載荷及其作用016
2.1.1　靜態載荷017
2.1.2　動態載荷023
2.1.3　疲勞載荷027
2.2　應力、應變和變形的概念034
2.2.1　彈性應力035
2.2.2　塑性應變040
2.2.3　變形機理042
2.3　風機葉片的分析方法045
2.3.1　解析方法046
2.3.2　數值模擬方法050
2.3.3　實驗測試方法060

第3章　復合材料和傳統材料的應用066
3.1　鋼的應用066
3.1.1　結構鋼069
3.1.2　不銹鋼073
3.1.3　合金鋼076
3.2　鋁合金材料的應用080
3.2.1　鋁合金系列080
3.2.2　鋁合金在葉片中的應用085
3.3　復合材料與傳統材料的應用090
3.3.1　碳纖維復合材料092
3.3.2　玻璃纖維復合材料096
3.3.3　復合材料葉片的制造工藝098
3.3.4　傳統材料的技術103
3.3.5　市場發展前景110

第4章　新型復合材料的應用111
4.1　新型纖維增強材料的應用111
4.1.1　玄武巖纖維111
4.1.2　有機纖維112
4.1.3　PPS 纖維113
4.1.4　碳化硅纖維113
4.1.5　氧化鋁纖維114
4.1.6　酚醛纖維115
4.1.7　硼纖維115
4.2　生物基復合材料的應用115
4.2.1　生物基復合材料的特性115
4.2.2　生物基復合材料在葉片中的應用123
4.3　新型涂層材料的應用125
4.3.1　防覆冰涂層126
4.3.2　防腐涂層129
4.3.3　高溫阻燃涂層132
4.4　新型材料的制備技術136
4.4.1　先進制備工藝136
4.4.2　材料性能調控145
4.4.3　葉片回收與可持續制備技術148

第5章　風機葉片領域前沿話題154
5.1　葉片材料微結構設計154
5.1.1　納米增強材料應用154
5.1.2　葉片芯材微結構設計155
5.2　智能材料在風機葉片中的應用156
5.2.1　智能傳感器技術156
5.2.2　自修復材料159
5.33D 打印技術在風機葉片中的應用165
5.3.13D 打印纖維復合材料工藝特點與參數166
5.3.23D 打印葉片材料選擇171
5.3.33D 打印葉片設計與制造173

第6章　對風機葉片技術未來的展望與思考175
6.1　現有技術的局限性及解決方案175
6.1.1　材料強度與耐久性的平衡175
6.1.2　可再生材料的性能挑戰180
6.1.3　制造和加工技術的限制183
6.1.4　可持續性與環保需求188
6.1.5　維護和修復難度188
6.1.6　資源的有限性192
6.2　材料科學的未來發展趨勢193
6.2.1　新型材料的應用193
6.2.2　提高材料性能199
6.2.3　制造工藝的創新204
6.2.4　多功能化材料的發展205
6.2.5　可持續發展和環保導向206
6.2.6　跨學科合作與創新207
6.2.7　能源轉型的推動208

參考文獻210