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复合材料飞轮的研究现状与发展趋势简介

　　1 复合材料飞轮转子概述

　　储能飞轮系统是一种以动能方式转换与存储能量的装置，具有储能密度高、充放电速度快、能量转换率高、使用寿命长、适应各种环境、可重复深度放电、无污染、维护简单等特点。这些突出的特点，使它在电力系统调峰、风力发电、汽车供能、空间能源、电磁炮、鱼雷等方面具有广泛的应用空间。在储能飞轮系统中，飞轮转子通过高速旋转的方式存储能量，它是系统中最主要的部件，即储能部件。早期的飞轮储能系统多采用高强度钢或铝合金等金属材料作为转子材料，这类飞轮转子具有设计简单、加工工艺成熟等优点。但是，它们也存在着重量大、能量存储密度低、安全系数低等致命的缺点。南非斯坦陵布什大学Petrus等人对比了钢飞轮和复合材料飞轮。结果表明，与金属飞轮转子相比，复合材料飞轮转子具有重量轻、能量存储密度大、使用寿命长、安全性能高等优势，它正在逐步取代金属飞轮转子，成为高速飞轮设计与制造的首选。随着飞轮转速和储能密度要求的提高，采用高性能纤维复合材料作为高速飞轮转子材料已经成为了一种发展趋势。复合材料飞轮转子主要是以高性能连续纤维（例如：碳纤维、玻璃纤维等）为增强体、树脂为基体，采用缠绕成形工艺制备而成的系列产品。在设计飞轮转子时，应该根据技术指标和性价比选取最适合的复合材料体系。例如，Beacon Power公司制做的智能电网用飞轮储能系统，选用了玻璃纤维/环氧复合材料作为飞轮转子材料。而Boeing公司测试的卫星用储能飞轮的转子则选用了碳纤维复合材料，其转速可以达到13万转/分。

　　2 复合材料飞轮转子的研究现状 

　　尽管复合材料飞轮的诸多性能要远远优于金属飞轮，但是纤维缠绕复合材料的各项异性大大制约了复合材料飞轮达到真正的极限转速。所谓各项异性是指复合材料飞轮沿着纤维方向的强度要远远高于垂直于纤维方向的强度，而且在一定程度上垂直方向的强度与纤维强度无关。因此，要使复合材料飞轮获得很高的储能密度，必须提高其径向强度。

　　目前，国内外的研究学者大多通过预制压应力的办法来提高复合材料飞轮的整体性能，即通过缠绕成型过程中对纤维施加足够的张紧力、多尺寸结构设计和和多环过盈装配等工艺，使得复合材料在径向具有一定的初始应力。复合材料飞轮内部存在的初始应力可以有效地抵消其高速旋转时产生的离心力，固而提高复合材料飞轮的径向强度。例如，韩国汉阳大学机械工程系的Sung K. Ha等人设计出了具有异种纤维的双层复合材料飞轮转子。由固化工艺及高速旋转的离心力在压力适合的多向转子里形成一个预紧力抑制抗拉应力，增加了飞轮转子的整体性能。美国马里兰大学研制出了多层圆柱复合材料飞轮转子，各层之间采用过盈配合，从而提高了复合材料飞轮转子的极限角速度，增加了储能量。郑州大学李成等人研究了不同杨氏模量对复合材料飞轮的应力、位移分布的影响，结合复合材料飞轮转子的结构特点，设计出一种以中心为极点的圆柱型正交各向异性的复合材料飞轮。并根据非物质各向异性弹性理论建立计算模型得出：随着角速度从0增大到500rad/s，径向应力、环向应力、径向位移都增大；两种材料径向应力的最大值都出现在飞轮的外缘，最大环向应力都出现在飞轮的内侧；高杨氏模量（Er=100GPa，E0=350GPa）时的径向和环向应力都要大于低杨氏模量时（Er=20GPa，E0=150GPa）的情况，而位移则是在低杨氏模量的情况下较大。清华大学工程物理系戴兴建等人考虑轴承、电机技术水平和可用材料等约束条件设计出一种双层纤维复合材料飞轮，其储能密度达到了35Wh/kg。关于复合材料飞轮预制应力的研究工作很多，在这里不做一一介绍。 

　　3 复合材料飞轮转子的发展趋势

　　尽管采用预制压应力的办法可以提高复合材料飞轮旋转的线速度和储能密度，但是美国伯克利复合材料实验室的M. Reilley在分析混合动力汽车用复合材料飞轮储能系统时，指出预制应力是飞轮转子内部出现压缩残余应力不一定是很好的设计方法。中国科学院力学研究所的毛天祥教授撰文指出目前已有不少学者开始关注采用柔性基体作为复合材料飞轮的研究工作。尽管这些研究工作尚处于实验室验证阶段，但是它们可能构成“安全-保险”复合材料飞轮的基础。

　　采用纤维缠绕法制造出的复合材料飞轮的径向由三部分组成：纤维、树脂、纤维与树脂之间组成的界面。纤维的强度要远远高于树脂和界面的强度。因此，改善树脂和纤维的界面粘结状态和增强树脂本身的强度也是提高复合材料径向强度的有效途径。例如：对纤维表面进行偶联改性或仿生接枝处理可以增加纤维和树脂的物理结合强度；对树脂基体进行改性处理可以增加自身的强度和修复性能。另外，金属基体要具有比树脂基体更高的强度，因此连续纤维增强金属基复合材料也可以作为复合材料飞轮的候选材料。但是，金属基体的密度较大，连续纤维/金属复合材料的制备工艺尚不成熟，还需要进行大量的基础研究。

　　4 结束语

　　纤维缠绕复合材料的各向异性制约了复合材料飞轮的发展与应用。预制应力在一定程度上可以提高复合材料飞轮的径向强度。采用改性后的树脂和纤维制造复合材料飞轮是提高飞轮整体性能的另一种有效地途径。对于金属基复合材料飞轮还要进行深入的研究。