大丝束碳纤维成本骤降，工艺提升，产能扩张，支撑起叶片大型化、轻量化、高可靠性的需求。碳纤维叶片应用的奇点已经来临。
碳纤维，一种高性能无机高分子纤维材料，含碳量超过90%，以其超轻、超强、耐腐蚀的特性，被誉为“新材料之王”。其比重不到钢的1/4，强度却是钢的7~9倍，这使得它在风电叶片制造中具有得天独厚的优势。然而，长期以来，由于碳纤维制造工艺复杂，价格“高攀不起”，国内只有少量试验风电机组采用了碳纤维叶片。
如今，随着工艺的技术进步、制造设备的国产化，企业主动让利等市场行为，碳纤维价格已由1年多前的130万元/吨，降为70万元/吨左右，产品性能高于国际水平的3%~5%。
2023年，全球风电市场的碳纤维用量高达2.5万~3万吨。在国内，碳纤维用量从微乎其微猛增至6000吨。未来，随着风电机组持续向大型化迈进，应用场景不断丰富，风电领域的碳纤维用量在全部碳纤维用量中的占比将超过30%。风电叶片大规模使用碳纤维的奇点已经来临。
碳纤维完美解决玻璃纤维的不足
近几年，风电机组的单机容量迅速提升，叶片的长度、重量纪录不断被打破。陆上风电机组叶片最长已达130米，海上风电机组叶片接近150米。长叶片对材料的强度和刚度提出了更加苛刻的要求，高模量玻璃纤维的性能已经触及“天花板”，无法满足叶片大型化、轻量化的要求。
同时，自2021年以来，与长叶片相关的安全质量事故呈高发态势。据不完全统计，在各类事故中，叶片失效占比接近40%。其中，除设计缺陷、扫塔、外力损伤外，质量问题的占比最大。
“由于降本导致的产品更新迭代太快，整体的设计更加激进，超长叶片的设计安全边界越来越小，没有更高的安全裕量来保证额外的安全性，又未进行充分验证，质量控制不达标，尺寸效应导致了一些设计盲区，常规方法考虑不到的失效和损伤也越来越多。”鉴衡认证中心风能事业部叶片认证部叶片技术带头人路绪恒向《风能》透露。
长柔叶片带来的可靠性问题日益凸显。“为了满足净空的要求，叶片必须具有足够的刚度，叶片设计工程师不得不通过增加主梁玻璃纤维的用量，甚至牺牲气动效率来提升叶片刚度，而重量增大会导致叶片出现共振、扭转等问题，进一步增加安全风险。”一位业内人士向《风能》透露。大叶轮机组的叶片断裂后，会导致巨大的不平衡力，叠加塔架轻量化设计，容易发生倒塔。因此，解决好叶片问题，会极大提升地风电机组的质量和可靠性。
此外，从寿命角度考虑，在越来越多的风电项目中，业主会要求风电机组运行25~30年，复合材料的可靠性对于保障风电机组长期安全运行至关重要，材料创新及革命性替代迫在眉睫。
以碳纤维复合材料为主梁的叶片，恰好完美地解决了玻璃纤维存在的不足与缺陷。
从材料性能看，碳纤维比玻璃纤维具有更低的密度（低30%左右）、更高的强度（0°拉伸强度可提高35%）、更高的模量（是玻璃纤维的2.5~3倍），以及更优异的抗疲劳性能。碳纤维耐高温、抗腐蚀、膨胀系数小，在沙戈荒和恶劣的海洋环境中能够延长叶片的使用寿命。
由于具有比强度与比刚度的优势，碳纤维可以帮助实现叶片的轻量化，并且在一定范围内，越长的叶片，其轻量化效果越好。根据行业测算，通过应用碳纤维，120米级风电叶片可减重25%~35%。
“碳纤维叶片还可以较好地解决长柔叶片的稳定性问题，增强叶片的结构刚度，减轻气动外形对结构刚度的限制，使叶片能够以更加细长而薄的外形进行设计，相当于把超过100米叶片柔性的程度又拉回80米级别的水平，能够实现更高的叶尖速比，从而在提升发电效率的同时，有效降低载荷。此外，细长的外形设计减少了叶片表面积，有助于减少材料的使用，实现结构的轻量化。”上海电气风电集团股份有限公司叶片设计所所长兼叶片专业总工程师李文科表示。
碳纤维叶片重量轻，载荷降低，会给整机降本带来意想不到的优势。轮毂、轴承、变桨、塔架、发电机、齿轮箱、螺栓等都会受益于碳纤维材料的应用；叶片的绝对厚度降低，提高了生产的可制造性；叶根节圆变小，便于运输和吊装，进而降低成本和风险。在同等重量的情况下，应用碳纤维材料可以增大风电机组的单机容量，进而节约用地、用海面积，提高资源利用率。
虽然使用碳纤维材料会增加成本，但综合整机和全生命周期的成本进行核算，碳纤维在长叶片中的应用仍具有很高的竞争力。可以说，碳纤维材料为风电行业提供了一个相对完美的解决途径。
实现纤维增强复合材料嵌入过程的工艺路线主要包括预浸料成型、灌注成型、拉挤成型三种。2015年后，维斯塔斯开发出碳纤维拉挤工艺制作的叶片主梁，开始在风电领域大规模应用。拉挤板结构能够系统性地发挥碳纤维材料的力学性能，其制造工艺简单，质量稳定，性价比最高，已成为长叶片最可行的应用路线。目前，10MW以上机型、长度超过90米的风电叶片主梁基本都采用碳纤维拉挤板工艺。
制造厂商主动打破僵局
一年多来，碳纤维的价格已经从“高不可攀”变得“平易近人”，这是如何做到的？
事实上，碳纤维的生产流程复杂，对设备和技术要求极高。制备过程众多控制点相应的参数积累往往需要数年，配方、工艺和工程壁垒难度逐级增加，突破期合计需要超过10年。其产线的投资门槛高，公开资料显示，万吨投资额普遍在20亿元以上，且投资回报率低，投资回报期通常超过10年。这些因素导致碳纤维的价格一直居高不下。
在国际上，近几年，大兆瓦风电叶片的主梁主要使用碳纤维材料。而在国内，受招标时将单位兆瓦的建设成本作为主要衡量因素的影响，叶片企业用不起碳纤维，导致其很难实现大规模市场化应用。
一边是碳纤维企业基于成本和规模考虑无法自降身价，一边是叶片或整机生产制造企业面对质量好但用不起碳纤维的翘首以盼、梦寐以求。对此，如何打破国内市场的僵局？
吉林化纤集团有限责任公司（下称“吉林化纤”）副总经理岳福升向《风能》介绍：“我们通过采取综合性降成本措施，主动将碳纤维价格降到国内风电企业用得起得的价格区间。首先是技术降本，采用独特的湿法成型等专业技术，优化配方，实现规模化量产。二是实施颠覆性工艺流程再造，实现关键设备国产化。为此，我们整合了原来的研发工厂，收购了一家设备企业，将专利技术、工艺流程融合进来，起到了很大作用。三是从原材料和应用绿色能源方面降低成本。四是向产业布局和管理要效益。最后经过核算，实现成本的大幅下降。”
在市场策略上，吉林化纤采取了“放水养鱼”，实现“水多鱼多”循环的举措。岳福升表示，“我们先将未来可能实现的成本价格交给行业，通过行业的放量，进一步降低成本，促进规模化生产。即先让利于下游的应用端，再通过应用端的产业拉动，分摊成本，进一步促使成本下降。这意味着我们需要放弃初始的利润，把产业当成自己的一部分去培育，最后形成正向循环。”
国内碳纤维厂商扩产的加速，带动碳纤维的价格走低。当前，国内碳纤维拉挤板产线已超过300条，产能突破4万吨。吉林化纤则以质量和规模抢占先机，占据国内风电叶片碳纤维拉挤板、原丝90%的市场份额。
碳纤维能够平替玻璃纤维吗？
为什么在90~120米风电叶片中，部分整机商仍坚持使用玻璃纤维作为主梁？这主要是出于价格方面的考虑。玻璃纤维拉挤板的价格在15元/千克左右，碳纤维拉挤板的价格是其5倍。单支玻璃纤维叶片比碳纤维叶片可以节省20万~50万元，单台风电机组则相差60万~150万元。陆上风电百米级叶片通常只在PS面（压力面）的主梁中使用碳纤维材料。
超高模量玻璃纤维的拉伸模量可以达到100GPa，同时兼有成本优势。若能够实现量产，其在风电行业中仍将扮演重要角色。然而，当叶片超过一定尺寸后，尤其是对于100米以上的叶片，应用碳纤维的优势将显现。因此，在追求更长叶片的海上风电领域，碳纤维的应用必将持续增加。这几乎成为行业的共识。
价格持续下降后，碳纤维就可以替代玻璃纤维吗？有专家认为，单纯从价格上来说，碳纤维的成本需要降到30元/千克，才能平替玻璃纤维。但这只是一种理论上的简单比较，实际上两者不是一种材料，就技术原理、能耗、材料的获取难度及工艺而言，都不在一个可以对比的序列中。
在岳福升看来，面对碳纤维造成的成本上升，应从采用碳纤维带来的部件和整机全生命周期的优化来考虑其性价比。通过提升发电量，可以平衡在叶片中应用碳纤维材料带来的成本增加。据了解，对于同等长度的叶片，相比玻璃纤维叶片，采用碳纤维能够将风电机组的年发电量提高4~5%。
岳福升向《风能》表示：“我们和整机商、业主进行多轮充分沟通。目前，行业内形成了共识，认为低价竞标不可持续，并逐渐深刻地认识到产品品质的重要性，会对成本进行综合考量。已经有业主在陆上风电项目中尝试或推广碳纤维叶片，有企业在招标书上明确要求使用碳纤维作为叶片的主梁。”
他透露，未来，招标文件中对风电项目的质量安全有可能实行终身追责制，这将对过去简单的招标方式产生重大影响。对技术人员、总工、项目负责人来说，如果不能保障风电机组安全稳定运行，将对个人和企业产生很大风险。这对碳纤维的应用来说，是一个重大利好。
碳纤维需要克服短板与局限
如同硬币的两面，碳纤维同样存在短板和不足。
碳纤维按纤维数量可分为小丝束、大丝束。用于风电叶片上的为大于48K（1K代表1000根丝）的大丝束碳纤维。目前，大丝束低成本碳纤维的应用工艺逐渐成熟，模量达到了150GPa。经过不断摸索，碳纤维的含量稳定在60%~68%较为理想。
从材料级测试结果来看，碳纤维制品强度和模量的CV值(衡量其性能稳定性的重要指标)仍然存在改善空间。在设计应用方面，压缩强度是最大短板，拉伸强度相对存在富裕，因此需要重点改善拉压性能的匹配程度。
“碳纤维拉挤板的规模化应用，亟须提升性价比。其中,性能的提升并不在于把碳纤维的模量做得越高越好，虽然模量的增加可以减少碳纤维的用量，但碳纤维叶片往往是强度驱动，因此更需要关注压缩失效应变(强度和模量的比值)。”中材科技风电叶片股份有限公司技术总监鲁晓锋表示。
碳纤维在运输、保存和使用过程中，对于环境温度、湿度的要求高；碳纤维具有导电性，需要设计专门的避雷系统。同时，由于电磁感应现象累积电荷，碳纤维主梁必须导通以均布电势，并接地。
碳纤维具有导电性能，这有弊也有利。比如通过在叶片前缘叶尖外表面铺覆碳纤维，通过电流加热，可有效去除叶片表面覆冰，确保风电机组在冬季结冰期的安全可靠运行。株洲时代新材料科技股份有限公司（下称“时代新材”）已有100多套样机，利用碳纤维导电性能除冰，实践效果良好。
碳纤维拉挤板在从拉挤到铺设的施工过程中，还有一些缺陷需要克服。例如，碳纤维拉挤板之间采用纯碳织物，易出现干纱及浸入不良，导致力学性能差，承载能力弱。针对于此，需要提升拉挤板层间剪切性能，可更改层间织物类型，采用碳玻混编双轴织物或纯玻双轴织物。碳纤维拉挤板多为平面直线形，与叶片壳体曲面随形贴合可能存在间隙，当主梁与壳体一体灌注成型时，极有可能发生富树脂缺陷，造成应力破坏，导致叶片整体可靠性下降。此时，可使用预制手段，并在灌注后进行无损检测。
此外，玻璃纤维是透明的，而碳纤维是不透明的，后者的产品内部缺陷检测难度较大。不过，采用相控阵超声检测技术，可实现碳纤维复合材料的无损探伤检测。
材料的进步给叶片设计和制造提供了更大的选择空间，但任何一项新的设计方法、新材料和新生产工艺的引入都会增加叶片安全的不确定性，需要重新进行设计和优化。金风科技股份有限公司研发中心叶片开发部部长李权舟表示，需要全产业链协同，助力碳纤维叶片的可持续发展：气动-结构-材料联合开发应用，可挖掘两面碳、三面碳最佳组合；防雷设计需结合仿真-测试-风电场运维不断迭代更新，并在生产-运输-运维全链条应用跟进和优化，确保使用安全；从整机综合成本角度评估采用碳纤维叶片的成本优劣，推动以轻量化碳纤维叶片为核心，进行整机设计，并实现从材料、部件、整机到风电场全链条测试验证及保障。
从测试验证角度看，为保障材料性能，需要从原材料、部件级到叶片全尺寸进行力学性能测试，全面评估碳纤维叶片可靠性。考虑碳纤维生产时工艺和性能的稳定性，要加大抽样频率，进行材料性能的复测，部件级的拉挤板层间性能研究尤为重要。除了常规的地面测试外，整机载荷测试可进一步验证叶片仿真-测试及现场验证一致性过程，确保系统可靠性，而这需要更多的经验和技术积累。
此外，时代新材风电产品事业部总工程师冯学斌强调，在单个产品达到质量与性能稳定要求的基础上，能否在批量生产、工程化过程中很好地控制叶片的质量，是未来应用过程中需要特别关注的。
需加强产业链协同与标准制定
在积极的政策支持下，风电行业将保持高速发展。随着风电机组风轮直径的不断增大，碳纤维价格的降低，碳纤维叶片的应用将日益广泛。国内大丝束碳纤维的市场用量将进一步扩大，预计今年会超过1万吨。未来一段时间，大丝束碳纤维价格将维持70元/千克左右。除“三北”、海上风电市场外，在中东南低风速地区，为解决发电量较低的问题，也将会产生一定的碳纤维叶片需求。有机构预计到2025年，国内风电领域的碳纤维用量会达到2.7万吨。
扩大碳纤维在风电上的应用场景，可以为行业带来更多想象空间。例如，推动碳纤维在陆上风电110米以上超长柔叶片中的应用；老旧风电机组采用碳纤维叶片进行定制化升级，替换旧叶片。未来，随着碳纤维产量的进一步增加，以及碳纤维、碳纤维织物或拉挤工艺成本的降低，业内人士预测碳纤维或将应用于叶片壳体中，这样可进一步有效地提高叶片的刚度，降低应变，增加扭转刚度。当然，全碳叶片的防雷系统，需要全方位加强。
提升碳纤维等原材料及长叶片产品的性能、质量和良品率，形成批量化生产能力，针对风电应用场景，不断降本增效，是围绕碳纤维进行全链条迭代升级的整体目标。推广碳纤维的应用，需要全产业链上下游协同，通过持续的技术创新，共同努力解决产业链面临的挑战。冯学斌建议，碳纤维企业应避免过度重复建设，更多关注从技术上开发低成本碳纤维；叶片和整机生产制造企业需加强联合设计，从整体出发，开发高性价比、高可靠性的风电机组；业主方应改变唯价格的招标方式，更多地考虑技术附加值带来的经济收益。碳纤维生产厂商呼吁，风电产业链要实现从大到强，做到世界领先，离不开创新的积累、研发的投入。龙头企业应带领行业聚焦于高质量发展。通过行业引导，支撑产业链进一步创新升级。
目前，碳纤维应用遵循的标准主要源于国外，国内需要独立制定相关标准。由中国科学院工程热物理研究所牵头，碳纤维、叶片、整机等相关企业，正在推进制定碳纤维叶片的行业标准，涉及原材料、产品、测试验证等环节。
此外，业内专家表示，需要重点关注碳纤维产业链的低碳环保工作，对原材料、辅材、生产过程、产品回收与利用等多方面深入开展研究。其中，碳纤维具有较高的回收价值，已经有国内外机构或企业在开展此类研究。通过回收技术，可能会打通碳纤维材料合成的闭环，即回收材料经加工后重新生成碳纤维的原材料，重回产业链。
