风能是目前最丰富和最方便转换的可再生能源之一，它已成为日益重要的电力来源。风电用量的不断提升，主要原因是政策推动和新技术的发展，这些新技术得到了包括碳纳米管（CNTs）在内的诸多风电新材料快速发展的大力支持。碳纳米管近年来在材料科学领域带来了影响现代技术与工程的强大“变革之风”，其应用领域涵盖了超级电容器、催化剂载体、储氢材料、燃料电池以及增强复合材料等诸多方面。

一般来说，风电叶片的捕风效率与叶片长度的平方成正比，因此为了提升捕风效率，提高发电功率，最直接的方法就是增加叶片长度。然而叶片的重量与叶片长度的三次方成正比，叶片重量会随着叶片长度增长而增加更明显。叶片重量的显著增加会导致：主梁和蒙皮分层风险增加，运输和吊装难度加大，整机需要承担更大的叶片载荷等。因而对质量更轻、性能更优的新材料的需求主要来自于叶片长度的不断增加。图1给出了电力成本、轮毂高度以及风轮直径随时间的发展图。

图1 每MWh电力成本美元（左Y轴）、轮毂高度（右Y轴）随时间的发展

在用于制造风电叶片的新材料中，由于碳纳米管不仅具有优异的机械性能，而且密度更低，可以很好的实现降低叶片载荷的目的，是一种非常有前景的材料。事实上，近年来，人们对碳纳米管在叶片材料中的潜在应用的兴趣确实显著增加，如图2所示。

图2 风电叶片材料中的碳纳米管每年的科学出版物数量（截止到2018年10月）

来自波兰的学者Slawomir Boncel在ACS Appl. Nano Mater期刊综述了碳纳米管在风电叶片工业应用的可能性（ACS Applied NanoMaterials 2018 1 (12), 6542-6555），并从形态学、物理化学和机械性能（包括刚度、强度和疲劳寿命等）来表征碳纳米管增强复合材料。

1 风电叶片的破坏

在风电机组中发现的最常见的结构损坏是叶片和塔筒的损坏，而叶片是众多部件中报告损坏最多的部件。在多年的运行中，由于受到巨大的循环载荷，叶片会发生严重的疲劳退化。因此，在某些非正常环境因素下，叶片可能会出现裂纹等，并传播到失效点。分层和粘接失效是最常见的损伤类型，此外，由于叶片在工作状态中是机组的最高点，因此是最容易遭受雷击的部件。

2 碳纳米管在风电叶片中应用可能性

基于碳纳米管复合材料优良的性能，研究人员关注到其强度和密度因素是决定碳纳米管可以应用到叶片的关键原因。此外，碳纳米管复合材料可以被视为提高环保型轻质叶片材料整体力学性能的关键添加剂。研究人员在2012年最早报道基于碳纳米管-聚氨酯复合材料的风电叶片，在加入分散剂后，采用同步超声和磁搅拌的方法制备了均质碳纳米管分散体。世界上第一个基于碳纳米管的风电叶片从此诞生，并在一个12 V的风力发电机中以400 W的功率运行。

3 碳纳米管实验室测试

碳纳米管的放大的问题源于三维系统（网络、纱线、薄膜等），多个微弱的纳米管间范德华力“取代”了单个纳米管中的强共价键。需要通过生长超长纳米管或纳米管的共价交联来解决上述挑战。尽管如此，从工业的观点来看，最简单的使用碳纳米管还是将作为纤维增强材料一步掺入聚合物基体中。另一方面，表面功能化或高能混合可以提供（本质上是疏水的）与从聚合物到金属到陶瓷的各种基质兼容的碳纳米管。将碳纳米管粉末作为各向同性和纤维状碳纳米管作为各向异性纳米级复合材料，可以将聚合物基质与碳纳米管结合。作为向叶片层合板方向的典型的一维纳米粒子，碳纳米管的改性能够增强操作稳定性。图3所示为未改性和一维纳米改性环氧树脂复合材料层合板在不同强度填料-基体相互作用下满负荷时的三个时间退化阶段。从图中可以看出，在基体中加入一维纳米颗粒可以在较低的降解率下显著提高疲劳寿命。

图3 未改性和一维纳米改性环氧树脂复合材料层合板在不同强度填料-基体相互作用下满负荷时的三个时间退化阶段

4 碳纳米管的规模化应用

碳纤维复合材料已经证明了其优良的实验室性能，但规模化应用仍受层间和压缩性能的限制。可能的解决方案是根据不同的几何形状、形态和定位，将聚合物接入到碳纳米管中，其主要作用是增强层内和层间区域性能，从而提高最终复合材料的强度和韧性。在实际应用中有两种方法可以得到碳纳米管/碳纤维复合材料的方法：附着CNTs可直接粘附在纤维上（A）；将CNTs分散在聚合物基体中（B）。然而受到基体粘度和过滤效应的影响，导致仅有少量的碳纳米管能担载到碳纤维中形成复合材料。

有研究发现，使用连续的开放式化学气相沉积（CVD）方法可以实现在碳纤维接枝碳纳米管（CNT-g-CF）的生产。该方法是利用电位差提供的纤维原位均匀生长的薄层碳纳米管，并可以产生短的、排列整齐的、密集接枝的碳纤维。此外，复合材料在材料中保持了高的初始碳纤维体积分数，表现出增强的电气、机械和热性能。更重要的是，没有观察到最初假设的碳纤维结构损伤，这是一个非常重要的前提，并为未来的碳纳米管的规模化应用增添了新的希望。

越来越多的研究讨论了通过在纤维表面沉积碳纳米管来改善纤维复合材料。环氧基多壁碳纳米管MWCNT/CF界面剪切强度可由11%提高到150%，PMMA基体界面剪切强度可提高26%。环氧复合材料的断裂韧性也可由30%提高到200%。多壁碳纳米管提供了从环氧树脂转移到玻纤增强层更多的担载，从而促进了整个复合材料力的均匀分布。总之，相比于未修饰基体或复合材料，不同形态、含量、分散度以及方向的碳纳米管均不同程度的提升了在风电叶片的复合材料力学性能（弯曲强度、断裂强度、韧性、疲劳寿命周期、界面抗剪强度、层间剪切强度、扭转剪切强度等）。

另外，碳纳米管在粘接剂和防冰涂料中同样可以发挥作用。在粘接剂中，碳纳米管可以通过增韧来实现环氧类粘接剂强度和柔韧性的同时提升，并增加耐久性。涂料体系添加碳纳米管，对疏水性较高的表面具有较好的防冰性能。

尽管碳纳米管材料具有良好的物理化学和机械性能，但在在未来碳纳米管规模化应用于风电叶片中，必须在经济和技术方面取得平衡，关键是大规模合成的可靠性和碳纳米管批次的标准化等问题。