风电叶片复合材料专利发展态势分析

风电叶片复合材料专利发展态势分析

杨鑫超曹寅虎（等同第一作者）杨伟超天津300304）（国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心，在检索了大量国内外专利文献的基础上，对相关专利技术摘要：本文介绍了用于风电叶片的复合材料的技术及研究现状，进行收集和分析，主要包括对国内外申请量趋势、主要申请人、技术发展路线等方面。最后结合具体案例介绍了国内外风电叶片用复合材料领域专利的发展路线，对我国该领域的专利发展进行了总结和展望。碳纤维；环氧树脂关键词：风电叶片；复合材料；玻璃纤维；中图分类号院G306文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2019冤26-0060-021概述而风能作为一种清洁的近年来，世界性能源危机不断加剧，可再生能源，其开发潜力巨大。随着风力发电机装机容量的增加和叶片长度的增大，对叶片的制造技术和材料提出了更高的要求。风力发电机叶片的应用材料已经由木质、金属、帆布等发展为复合材料。复合材料是以某种材料为基体，另一种材料为增强体组成的材料。在性能上各种材料取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料。合理选择基体和增强体的材料，并充分考虑两者之间的相互作用是风力发电机叶片选择材料的关键[1]。当前，我国风机叶片的主要原材料是纤维增强复合材料[2-4]。因此，本文拟通过风电叶片复合材料相关重专利文献分析，梳理风电叶片复合材料领域技术发展脉络、图119-2018年中国、外国以及全球风电叶片点申请人及关键技术，为相关从业人员提供参考。用复合材料领域专利申请量变化趋势2专利申请态势分析2.1专利申请量趋势分析不可否认的是，发展以及国家对专利的扶持。但与此同时，从2006年开始，值得一提的是，我国在风电叶片用复合材我国的专利申请质量较国外还有一定差距，主要体现在专利申这源于我国风电产业的迅猛请中有30%左右技术方案比较简单明的实用新型料领域的申请量均高于国外申请，（转下页）的是该吸收峰的强度，从图2中可以看出吸收强度随着温度的制备得到不同晶面结构的BiOBr半导体光催化材料。通过X-（XRD）（DRS）升高而降低。射线衍射和紫外-可见漫反射对材料进行了相关 (a) (a)表征分析；实验结果表明，对于不同反应温度条件下制备的样 W-30C W-30oC

W-50C合成温度在30℃条件下的品，在以罗丹明B（RhB）为降解物时， W-50oC W-80CBiOBr样品的光催化活性最好。 W-80oC

参考文献[1]茅丹俊.离子液体中溴化氧铋光催化剂的制备及其光催化活性研究[D].镇江：江苏大学，2014，15-20.

中国科学技术大学出版社，[2]钱逸泰.结晶化学导论[M].合肥：2005：348-352.

Wevelength/nm t/min

[3]魏平玉，杨青林，郭林.卤氧化铋化合物光催化剂[J].化学进展，图2BiOBr光催化剂的DRS谱图图32009，469（9）：1734-1741.

2.2样品的光催化活性分析[4]XiaojingShi,XinChen,XiliangChen.PVPassisted在模拟太阳光下进行降解罗丹明B（RhB）的光催化活性测hydrothermalsynthesisofBiOBrhierarchicalnanostructuresand试，RhB的吸收波长为554nm。如图2-3所示：在模拟太阳光光highphotocatalyticcapacity[J].Chemicalengineeringjournal,照30min后，RhB在溶剂相同温度分别为30℃、50℃、80℃下2013,210:120-127.BiOBr催化剂上的降解率为97%、87%、74%。降解实验表明，与上述从XRD30℃的条件下BiOBr催化剂的光催化活性最好，图中分析的结果一致，在温度30℃时制备的催化剂的（001）晶（102）（110）可见光活性越面暴露最少且和晶面高度比值最大，好（图3）。3结论本文以便宜易得的Bi2(NO3)3·5H2O、KBr为原料，用水解法5

1.0o4

oo0.8Intensity/a.u.3

2

At/Ao0.6 0.41

0.20

0.0200300400500600700800020406080100120 2019.26科学技术创新

专利，专利授权率偏低，专利申请中的技术方案对于实际应用（如采用碳纤维、碳还有一定差距，此外，有关一些关键性技术的专利纳米管作为增强材料；采用热塑性树脂避免环境污染）申请时间均晚于国外。2.2国内申请人类型分布国内申请人类型中，企业申请占74%，高校和科研院所占19%，个人仅占10%。造成此种结果的主要原因与该领域的特点有关，风电叶片属于大型工业设施，个人很难有精力和财力对中大型此展开系统的研究。对于该领域专利的企业申请人中，国电联合动力技术企业较多，如中国石油化工股份有限公司、北京玻钢院复合有限公司、江苏天常复合材料股份有限公司、材料有限公司等，同时也不乏一些专门从事新材料研究的中小型企业。高校和科研院所类申请人主要集中在国内对纤维材料如天津大学、北京航空航天和树脂材料研究比较深入的单位，华东理工大学、中国人民大学、北京理工大学、北京化工大学、国防科学技术大学等。值得一提的是，国内申请中有部分为企业与高校合作研发的技术成果，如无锡阿科力化工有限公司和上海交通大学共同申请的环氧树脂抗紫外复合材料及（CN101358018B）其制备方法，达森(天津)材料科技有限公司和北京航空航天大学共同申请的一种用于兆瓦级风力发电叶片（CN102277117B）这的碳纳米管增强环氧结构胶及其制备方法，实表明我国企业已经有意识与科研能力较强的科研院所合作，现优势互补，此类专利往往代表着行业内较高的水平。2.3主要技术分支风电叶片用复合材料主要是由树脂和纤维组成，通过对全球专利申请的状况进行分析，相关申请主要涉及对材料的改进、对复合材料结构的改进和对复合材料的制备工艺的改进三方面，对材料的改进又分为对树脂材料的改进和对纤维材料的改进，国内大部分专利申请集中在对材料和制备工艺的改进（材（材料39%；工艺43%；结构18%），而国外发展较为均衡料27%；工艺36%；结构37%），其中，对结构和工艺的改进占比相当，对材料的改进最少。3专利技术演进3.1国外主要专利技术演进3.1.1复合材料制备工艺：DK200401988A公开了一种用于风力发电站的诸如叶片的纤维加强部件的制造方法，其中，该并且方法包括在敞口模具的内表面上的薄膜上设置多层结构，树脂被用来将设置的多层结构连接。3.1.2复合材料用树脂：DE102010046914A1涉及不饱和聚酯树脂，其包含由至少一种不饱和二羧酸和至少一种二醇制得的聚酯或聚酯混合物，及至少一种能够与二羧酸的C=C双键进行共聚合的硅氮烷。此外，本发明还涉及通过使如前所定义的不饱和聚酯树脂进行交联获得的不饱和聚酯树脂模制材料。该模制材料任选可以含有增强性材料。该不饱和聚酯树脂可以通过采用以下步骤制得：a.提供由至少一种二醇和至少一种不饱和二羧酸制得的聚酯；b.提供至少一种能够与二羧酸的C=C双键进行共聚合的硅氮烷；c.将根据a和b的组分进行混合。该不饱和聚酯树脂模制材料可以由前述聚酯树脂通过其借助自由基引发剂进行完全硬化而制得。3.1.3复合材料用纤维：JP2012077426A提供树脂强化用纤维，其是用环氧化聚二烯类树脂对纤维进行表面处理而成的。作为所述纤维，优选碳纤维或玻璃纤维。本发明的纤维强化树-61-

脂复合材料由所述树脂强化用纤维和基体树脂构成。作为所述基体树脂，优选环氧类热固性树脂。根据本发明的树脂强化用纤维，可以同时提高纤维强化树脂复合材料达到最大负荷的吸收能量(弹性能量)和最大负荷后的吸收能量(传递能量)。3.2国内主要专利技术演进3.2.1复合材料制备工艺：CN101003179A涉及一种大型风力发电机叶片的制造方法，首先在模具的成型面上喷涂脱模剂，涂胶衣；随后依次铺上脱模布、脱模薄膜、吸胶毡；在铺层四抽真空，并进行周设置一圈吸真空螺旋管；整体包覆真空薄膜；检漏和补漏；最后固化成型。采用真空袋压法消除了铺层中残留的气泡，提高了结构强度和使用寿命。3.2.2复合材料用纤维：CN101607411涉及一种竹纤维增强复合材料及其制造方法，它是由定向竹纤维毡和胶粘剂层构成，定向竹纤维毡的上、下表面以及厚度方向分别设有沿纵向其制造方法主要将一段均匀间断的粗细不均的系列纵向裂缝，竹筒，沿其直径纵向剖成两个半圆竹筒，并除去内节；通过驱动辊和疏解辊疏解半圆竹筒内弧表面，再疏解半圆竹筒外弧表面，然后施胶、热压而形成竹纤维增强复合材料，半圆竹筒内弧和外弧表面皆疏解出均匀而间断的粗细不均的系列纵向裂缝，增加了竹材的有效胶合面积同时竹青和竹黄也被除去，从而，硬度大为提高并和改善了竹材的渗透路径，使胶合板的强度、且加工性能还好。3.2.3复合材料用树脂：CN101402791A涉及低密度高强度包括A组分和B组分，纳米聚氨酯风轮叶片复合材料，按重量植物油、无机纳米材份计，A组分包括聚酯多元醇、聚醚多元醇、料、催化剂、抗氧化剂和纤维增强材料；B组分包括聚二苯基二除纤维增强材异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯或异氰酸酯预聚体；料的A组分与B组分的重量比A∶B＝1∶1～1.5。克服现有不耐温低、易老化等问题，利用饱和树脂，环氧树脂材料的密度高、与聚氨酯相纳米材料与玻璃纤维、火山岩纤维作为增强材料，强度高，耐低温、耐腐蚀等特复合制成，具有密度低、拉伸、剪切、殊性能，适用于风力发电中风轮叶片及工程结构材料的应用。4展望如今，为了实现环保高性能的要求，风电叶片用复合材料的树脂和纤维也呈现多样化，热塑性树脂、改性环氧树脂、聚乙烯纤维、聚酰亚胺纤维、碳纤维、碳纳米管逐渐取代了之前的玻璃纤维和环氧树脂。此外，中国企业应更加注重与高校和研究院学习结合国外所之间的合作，利用复合材料特性和市场需求，制备出高性能且研究成果，依靠技术科研力量开发新型材料，环保的风电叶片用复合材料。参考文献[1]高克强,薛忠民,陈淳,邱桂杰.复合材料风电叶片技术的现状与发展[J].新材料产业,2010，12：4-7.

[2]焦斌,蔡晴等.热固性玻璃钢废弃物的回收利用[J].玻璃钢/复合材料，1997,6：38-41.

[3]王继辉,邓京兰.热固性复合材料的回收与利用[J].玻璃钢/复合材料,1997,5：37-40.

[4]张晓明.纤维复合材料,2006,2：60-63.

等同第一作者。曹寅虎与第一作者贡献相同，