CN102822506A - 具有改善特性的外表面的风轮机叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括外表面（11）的风轮机叶片，所述外表面（11）在所述叶片（3、3’、16）经受气流（a）时用作空气动力表面，所述叶片（3、3’、16）包括树脂基体，所述树脂基体由包括所述外表面（11）的至少一个层片（P1）的层压板（5）制成。所述外层片（P1）包括以如下方式嵌入到所述外层片中的纳米结构（13）：使得所述层片（P1）中的纳米结构的丝（13’、13”、13”’、13””）基本上具有相对于所述外表面（11）的平面（P）相同的角度定向。

Description

具有改善特性的外表面的风轮机叶片

技术领域

根据权利要求1中的前序部分，本发明涉及一种包括外表面的风轮机叶片，当物体的外表面经受气流时，该外表面用作空气动力表面。

本发明主要涉及在风轮机工业中由复合材料制造商制造的风轮机叶片，其中，该风轮机叶片设计有空气动力表面。

背景技术

部件例如那种具有空气动力功能的风轮机叶片的复合材料机体结构被设计并制造为具有某种影响风轮机叶片蒙皮表面（即外表面）之上的气流的表面纹理/粗糙度、容许的梯级、间隙和波纹。如今使用的产生这种表面粗糙的材料及制造技术限制了风力发电站的空气动力效率。

通过当前的将覆层（漆层）应用于机体上以提供光滑的保护蒙皮表面的标准程序并未使该状况得到改善。

风轮机叶片的蒙皮表面也倾向于由于例如在风轮机叶片的制造期间聚合材料的固化收缩而产生表面缺陷，并且该蒙皮外表面还可能在风轮机叶片的使用期间暴露于撞击和损害。

如今存在不同类型的风轮机叶片蒙皮覆层，例如具有强度特性的涂料覆层、用于保护并保持外表面的光滑从而促进风轮机叶片在使用期间的空气动力性能的涂料系统。

如今，在风力发电厂工业中存在为了产生更高效的风力电力站的研究和开发努力。一个解决方案是开发风力发电厂的发电机以使得它们更高效。在本发明中提出的另一个可能的解决方案是改善风轮机叶片的空气动力效率。

由于制造方法不足以及操作性使用（雨水以及沙侵蚀等），当前技术的以现有制造方法由铝、碳纤维复合材料、陶瓷以及其他的材料制成的风轮机叶片部件存在明显的表面粗糙度、梯级、间隙和波纹等。

对于聚合物基纤维复合材料的空气动力表面例如风轮机叶片蒙皮，外表面层由非增强型塑性材料构成，通常由一层涂料覆盖。由于多种起作用的效果例如聚合材料的固化收缩、树脂在表面层中的不均匀分布（富树脂区域）以及表面材料的不同的热延伸率，表面层将产生明显的表面粗糙度。当前使用的技术还导致具有这样的外表面的表面层：该外表面倾向于在部件的制造期间产生表面缺陷、在使用期间由于侵蚀而产生损坏、以及产生其他的缩短风轮机叶片表面的使用寿命以及（主要关注点）降低空气动力效率的特性。当前所使用的技术的所述缺点对于所有类型的空气动力机体部件例如风轮机叶片的小翼等也是有效的。

纳米结构技术（例如在聚合物材料中的纳米纤维/管）是风力复合材料工业感兴趣的新兴技术。这是由于嵌入到聚合物材料中的纳米纤维/管的高强度和硬度以及其他的特性例如低热延伸率。

WO2008/070151公开了一种风力发电站塔，其包括纳米管树脂的转子叶片。

期望的是以有效的方式在层压材料的制造期间提供并保持层压材料的风轮机叶片的外表面的光滑度。还期望在风轮机叶片的服务和/或使用期间保持外表面的光滑度。因此，如果外表面在整个使用寿命期间是光滑的，则对于风轮机叶片的空气动力效率是有益的，由此促进具有长寿命期限的高效的风力发电站。

还期望提供具有生产成本效益的风轮机叶片，该风轮机叶片本身对生产期间在外表面上的损坏具有抵抗力，并且该风轮机叶片具有坚硬、光滑且构型稳定的外表面。

一个目标是使风轮机叶片的维护成本最小化，同时实现与风力发电站的作用相关的提高的效率。

另一个目标是还消除已知技术的缺点并通过有效的生产来改善物体的特性。

发明内容

这已经通过以在由权利要求1的特征部分的特征为特征的导言中所限定的风轮机叶片而得以实现。

以这样的方式，实现了具有改善特性的风轮机叶片（在导言中讨论）。通过纳米丝的单向定向，将提供层压板的有效生产。这可以通过呈纳米结构簇的形式的上层片而实现，该纳米结构簇嵌入到树脂中并具有在平面中随机定向的细丝，使得细丝与该上表面的平面相平行。该生产包括将树脂（用作嵌入纳米丝的基体）引入到纳米丝簇中或者引入到分离的单向纳米丝之间的步骤。二维延伸或一维延伸的纳米丝因此设置为彼此平行，以便在层压板的生产期间树脂的最佳填充。树脂的引入将不受阻塞或阻碍并且树脂将填充纳米丝之间的所有空间。因而，外表面将是光滑的、坚硬的和构型稳定的。

由此提供了用于设计和制造相比于现有技术表面在形状和表面质量上完美得多的空气动力表面的材料和方法。与在现存技术表面的情况下的可能相比，这些改善质量的表面更大程度地支持引入层流风轮机叶片部件。

以这样的方式实现了：风轮机叶片的外表面（空气动力表面）近乎完美的形状和表面质量以及与现存技术的表面相比的更强的耐损坏性、持久性和硬度。因此，在风轮机叶片的制造期间在不同层片中的树脂最终的固化收缩、以及在制造期间在外层片中的树脂最终的不均匀分布和外层片或多个层片中不同的热延伸将不再影响蒙皮表面的光滑性，这是由于嵌入在外层片/层片中的纳米结构将使得外表面变坚硬而抵挡最终的固化收缩力。层压板的树脂基体将不具有气袋或树脂的不均匀分布，这是通过使层片中的细丝具有相对于层压板的外表面的平面相同的定向而实现的，其中，树脂在层压板的制造期间将有效地填充纳米丝之间的间隙。

通过形成层片的层压板的风轮机叶片、每个层片具有特定的纤维定向以使得层片一起形成风轮机叶片结构、并且外层片设置有纳米结构，风轮机叶片将因而具有光滑及坚硬的空气动力表面。该风轮机叶片因而能抵抗在外表面中的裂缝并且能抵抗在其使用中的侵蚀。因而本方案将获得具有长的使用年限的光滑外表面，这是节约能量并且是有效率的。

替代性地，外层片包括纳米结构，纳米结构以如下方式嵌入外层片中：使得层片中的纳米结构的纳米丝相对于外表面的平面具有相同的角度定向，这意味着纳米丝能够被定向为平行共面的或者在平行的平面中，或者意味着纳米丝能够在至少一个平面中具有不同的定向、但具有平行于所述平面的延伸或相对于所述平面成角度。

替代性地，纳米结构的至少一部分暴露于外表面中。

部分暴露在风轮机叶片的外表面中以及嵌入到外层片中的纳米结构带来了这样的效果：就热延伸而言，外层片与玻璃纤维增强塑料（GFRP）和碳纤维增强塑料（CFRP）的结构都是相适宜的。如今用于增加层流的常规的外表面膜或层片（例如普通的涂料）经常不具有增强件，这使其由于外层片较高的热膨胀而与GFRP和CFRP几乎不相适宜，这可引起剥离、裂缝等。

纳米结构的细丝各自包括延伸的纳米丝，该纳米丝包括第一端部和第二端部。该纳米结构适当地部分暴露于外表面中，使得纳米结构的一部分包括暴露于外表面中的第一端部。

纳米结构可包括碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米管线等。

除了具有恒定的或接近恒定的厚度的在空气动力方面高效的表面覆层之外，CNT增强表面材料还能够替代性地应用为有纹理的或具有微小结构的表面层被应用，即所谓的肋条。该肋条技术是基于现有知识的，但CNT增强材料可用来实现这种具有耐久的、光滑的外表面的表面纹理。这是通过前面提到的改善的材料特性例如抗腐蚀性、硬度、图案准确性、刚度以及其他的由于将CNT用作为增强材料而获得的功能特性而得以实现的。

以这样的方式，覆层的外表面实现改善风轮机叶片的空气动力特性，例如，提高效率等。覆层的纳米结构能够应用于风轮机叶片的一部分上或所有部分上，也能应用于使用机械紧固件的区域中，以便覆盖这些紧固件并使在层流区域中具有机械紧固件所引起的消极的空气动力作用减小。

适合地，外层片为包括至少两个层片的层压板的层片，其中，每个层片包括大纤维（例如碳纤维或玻璃纤维），所述大纤维具有与相邻的层片的大纤维的纤维定向不同或相同的纤维定向。

以这样的方式，在层压板的制造期间，由于树脂的最终的不均匀分布以及在风轮机叶片壳体的制造期间在层片中的不同的热延伸所引起的树脂在不同的层片中的最终的固化收缩将因而不会影响外表面的光滑度。

优选地，纳米结构在外层片中非常密集以使其尽可能的坚硬，但纳米结构不会密集到使其失去导电性。

因而，坚硬且光滑的空气动力表面适合于用作风轮机叶片的雷电保护。用于雷电保护功能的、包含传导性纳米结构的有效系统将基于这样的事实来设计：使用了这些填充料的疏松材料例如聚合体的导电性将随着填充料的含量而变化。根据特定的条件，这种系统的导电性可例如随着CNT填充料的含量而增加或减少。

替代性地，纳米结构位于叶片顶端的区域中。

以这样的方式，能够更安静地使用风力发电站，这是由于就叶片顶端而言较高的速度是适当的。因而能够在速度最高的位置处产生层流，其中，没有紊流，提供了安静的操作。生产这种风轮机叶片是有成本效益的。

替代性地，纳米结构的丝定向为横向于外表面的平面。

以这样的方式，风轮机叶片的机械强度在横向于层压板的平面的方向（z-方向）上得到提高。因而，实现了该层压板的额外的强度，对与层压板的平面的延伸相平行地延伸的大纤维的强度进行补充。

适合地，纳米结构的丝定向为相对于外表面的平面倾斜。

以这样的方式，纳米结构既有助于在z方向上的增强，还促进了有益于雷电保护的导电性。

优选地，纳米结构的丝定向为平行于外表面的平面。

以这样的方式，能够在纳米结构的在外表面中的最终暴露的纳米丝（即，从细丝的第一端部延伸至第二端部的细丝的区段可能暴露）为提供长期的光滑度的外表面硬度做出贡献的同时使导电性最佳，因而促进了高效的风力发电站。

替代性地，纳米结构包括碳纳米管。

因而，为外表面实现了适当限定的纳米结构，该纳米结构具有最佳的机械强度和其他的特性（坚硬度、热膨胀等），这些特性在应用中是重要的。碳纳米管的适当限定的尺寸促进能够尽可能薄的纳米结构层。

优选地，纳米丝（CNT、纳米纤维、纳米多层丝、纳米双层丝、纳米线等）具有小于或等于0.125mm的长度。这适用于普通的使用在飞机的生产中的厚度为0.125mm的预浸层片。如果是倾斜的，或者是在使用定向的纳米丝的平面中，该长度优选为更长。纳米的限定意味着细丝微粒具有至少一个不大于200nm的尺寸。1nm（纳米）定义为10^-9米（0.000000001米）。优选地，多层纳米管的直径为15-35nm，适合地为18-22nm。适合地，单层纳米管的直径为1.2-1.7nm，优选地为1.35-1.45nm。

适合地，碳纳米管为对齐的碳纳米管的林状簇的形状。

可通过为高效而获得CNT的生长林的新兴的CNT技术来生产CNT（碳纳米管）。已知CNT能生长为具有竖直的、倾斜的或水平设置的纳米管的“林”的形状（成簇的对齐的CNT）。这些设置的组合也是可能的，例如两个或更多的单独的层彼此上下叠置。还可使CNT生长为适当限定的图案，适于期望的应用。在该申请中，术语CNT包括所用类型的碳纳米管。这些碳纳米管可以是单层的、双层的或多层的纳米管。此外，可以使用类CNT材料如石墨烯、石墨化炭黑（graphone）和类似的具有适合的电特性的碳基材料。这包括设置在外表面的平面中或相对于该平面成适合的角度设置的单层或多层。CNT以及上述类似的材料具有非常良好的导电性并且因而非常适于物体的雷电保护功能。

附图说明

现在将参照附随的示意图以示例的方式对本发明进行描述，附图中：

图1示出了风轮机叶片的截面，包括树脂基体，该树脂基体具有外层片，该外层片包括暴露于外表面中的纳米结构；

图2a-2g示出了根据多种应用的外表面覆层的截面部分；

图3示出了包括雷电保护外表面的风轮机叶片的一部分的截面；

图4示出了从上方所见的图3中的外表面的放大部分；

图5示出了直接从上层片的大纤维生长为“林”的倾斜的CNT的截面；

图6示出了风轮机叶片；

图7a-7b示出了包括纳米纤维的外表面；

图8a示出了暴露于物体的外表面中的横向（在z方向上）定向的CNT的区段的立体图；

图8b示出了在图8a中的物体的截面；

图9a-9b示出了风轮机叶片的实施方式；

图10示出了层压板，该层压板包括增强外表面和位于层压板的下侧的纳米结构增强层，其用于在层压板的生产期间避免所谓的反弹效应；

图11a示出了现有技术中的层压板；

图11b示出了根据本发明的另一实施方式的层压板。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细地描述本发明的实施方式，其中，为了清楚以及对本发明的理解，从附图中删除了一些不重要的细节。另外，示例图示出了不同类型的纳米结构，为了理解本发明而以极度夸张及示意性的方式示出。另外为了理解传导性纳米丝的定向和对准，在附图中夸张地示出传导性纳米结构。

图1示出了具有空气动力功能的复合风轮机叶片结构1的截面。

风轮机叶片壳体3由树脂基体制成，其包括层片7的层压板5。每个层片7包括具有与相邻层片的大纤维（大纤维的直径约为6-8微米）定向不同或相同的定向的纤维9（在本发明申请中也称作大纤维或传统层压板增强纤维）。层压板5的外层片P1形成外表面11。外层片P1包括定向为在第一方向上平行于外表面11的大纤维9，在外层片P1之下的第二层片P2包括也与外表面11平行布置但相对于第一方向呈90度方向的大纤维9。下一层P3包括相对于第一方向呈45度方向的大纤维9。

在风轮机叶片结构1经受气流a时用作空气动力表面的风轮机叶片的外表面11设置有纳米结构13，该纳米结构13包括碳纳米管（CNT）15。

CNT 15嵌入上层片P1中，使得纳米结构13的至少一部分暴露在外表面11中。

CNT 15基本上相对于外表面11的平面P横向地定向，多数CNT 15的一个端部暴露在外表面11中。CNT 15的另一端部被引导朝向大纤维9，但不与这些大纤维9接触。包括外表面11的CNT增强表面层因而一体形成于储存件（在固化之后形成层压板5的预浸层片P1、P2、P3等的储存件）中并因此在风轮机叶片结构1的固化中一体形成。

以这样的方式，风轮机壳体3的外表面11在较长的时间段内将是光滑的。通过嵌入上层片P1中的暴露的碳纳米管CNT 15实现了此光滑度。单向的CNT 15的定向使得用于嵌入CNT的树脂将在层压板的生产期间填充在层压板中的CNT 15之间的所有空间。因而该风轮机叶片结构1是有成本效益的，并且可以另外的方式生产，实现具有即使是在高速度下满足对于层流的要求的空气动力表面的风轮机叶片。在该外层片P1（外层）中增加CNT 15（单层或多层的碳纳米管和/或其他具有类似功能的纳米级添加物）获得外表面11的纹理/光滑度的显著提高，结合了外表面11的提高的硬度和抗腐蚀性。这是由于通过CNT 15的纳米级增强所引起的，所述增强防止在成型工具（未示出）中形成外表面11期间的另外的特性表面粗糙度。外表面11将是坚硬的并提高了与热固性聚合材料相关的抗腐蚀性。CNT增强外表面11因而与复合机体结构1一体形成，该复合机体结构1由聚合复合材料制成，包括若干层片P1、P2、P3等。

图2a示意性示出风轮机叶片的一部分，该风轮机叶片包括外层片P1、P2、P3，外层片P1、P2、P3包括水平纳米丝13’（与外表面11的平面P相平行地延伸）。上层片P1为覆盖风轮机叶片结构的覆层且包括嵌入到其中的纳米结构13，使得纳米结构13的至少一部分暴露在外表面11中，即，纳米丝13’的一部分暴露以产生坚硬的外表面11，由此在长时间内保持外表面11的光滑度，用于促进在使用期间在外表面11上的层流并且由此实现高效的风力发电站。

层片P1、P2、P3在此示例中应用于现存的、已经制造并组装的风轮机叶片结构的外部。通过粘接件18完成该应用。外表面11的光滑度是通过在标记H处暴露的纳米结构13来实现的。复合蒙皮层压板的这种纳米增强层片P1、P2、P3可用作外覆层。

图2b示意性示出用于实现坚硬且光滑的外表面11的单一上预浸层，其中，CNT 15相对于外表面11倾斜设置并且嵌入在上预浸层中且具有相对于该外表面11大体相同角度的定向。

以这样的方式，风轮机叶片实现为具有改善的特性，例如光滑度、硬度、构型稳定的层压板等，以促进最佳的空气动力表面。通过纳米丝的单向定向，将提供层压板的高效生产。该生产意味着在CNT 15之间流动的树脂（用作嵌入有纳米丝的树脂基体）将不再具有障碍且该树脂将填充CNT 15之间的所用空间。因而，外表面11将是光滑的、坚硬的和构型稳定的。

通过该实施方式，CNT结构还有助于在z-方向z中的增强（抵抗垂直作用于外表面11上的力和冲击），并且同时促进对雷电保护有益的导电性，其中，冲击流在平行于外表面11的平面P的方向上传播，其中风轮机叶片的内部将被保护。

图2c示意性示出在固化前应用于固化工具23中的预固化表面层21（或外层片）。该固化表面层21包括面对工具23的成型表面的外表面11。预固化表面层21包括另外的两个CNT增强子层21’、21”，每个子层都是在与纳米丝的单向定向相对应的特定方向上被增强的纳米结构。因此，对预固化表面层21本身而言实现了多向增强。通过每个层21、21’、21”中的纳米丝的单向定向，将提供层压板的有效生产。

图2d示意性示出具有空气动力表面（外表面11）的风轮机叶片的一部分的截面。表面层21包括设置在表面层21中的横向地（垂直于外表面11的平面P）定向的碳纳米纤维13”，使得碳纳米纤维13”部分地暴露在表面层21的外表面11中。在外表面中未暴露的纳米结构丝在例如图2b的实施方式中示出。

图2e示意性示出将应用于由CFRP（碳纤维增强塑料（CFRP）结构）制成的风轮机叶片壳体3的复合壳体的表面层21的示例。该层在应用CFRP之前以及在用以形成固化组件的外表面11的固化操作之前被设置到凹形工具中。因此表面层21也包括嵌入树脂中的大的碳纤维（未示出），由此另外增强壳体3的结构。碳纳米纤维13”嵌入表面层21（上层片）中并且基本上横向于外表面11的平面P定向，多数CNT 15的一个端部与外表面11间隔开。CNT 15的另一端部被引导为朝向大纤维9，但不与这些大纤维接触（图5的实施方式示出与大纤维接触的纳米丝）。

图2f示意性示出作为单独的覆层而应用于金属的风轮机叶片结构27的覆层25的示例。覆层25包括在与外表面11的平面P相平行的平面中随机分布的CNT 15（CNT的沿着层压板的平面P的不同方向的延伸，但CNT与平面P相平行地延伸）。因此覆层25包括嵌入在上层片P1的基体中的CNT 15。

因此树脂基体由覆层25或一个层片的层压板制成，其包括外表面11。覆层25包括嵌入在该覆层25中的CNT 15，使得覆层25中的CNT结构的细丝具有相对于外表面11的平面P相同的定向。因此CNT 15的特定定向使得用于嵌入CNT 15的树脂将在层压板的生产期间填充层压板中的CNT 15之间的所有空间。

图2g示意性示出包括若干层片的层压板，所述层片包括纳米结构丝。每个层片Pn包括具有相同定向（单向定向）的纳米丝。每个层片Pn包括与其他层片的纳米丝的定向不同的纳米丝定向。这促进了提供所述光滑度的最佳的机械强度。

图3示意性示出风轮机叶片壳体3’的一部分的除冰/防结冰系统29。系统29包括用作加热元件35的传导性结构。该加热元件35包括传导性纳米结构33，传导性纳米结构33具有这样的定向和密度：使得对于通过加热元件35传导的电流的电阻增加，从而产生热量以融化冰或防止冰形成。传感器37也设置在外表面11中。当传感器37检测到冰的存在时，从传感器37中馈送信号至控制单元39，其中，该控制单元39启动加热元件35。

包括外表面11的外层片P1设置在加热元件35之上。另外，外层片P1包括与除冰/防结冰加热元件35类型相同的传导性纳米结构33。在外层片P1的区域A中，纳米结构丝横向地定向，部分地暴露在外表面11中，从而实现外表面11的最优的强度。同时，也是传导性纳米结构13将促进最终的雷击电流传播至保护除冰/防结冰系统29的雷电传导器（未示出）。外层片P1通过绝缘层41相对于除冰/防结冰加热元件35电绝缘地设置。由于用于外层片P1中的区域A的横向地定向的纳米结构13”（用作雷电保护），来自加热元件35的热也将在尽可能短的路径中热传递至外表面11，由此将热集中到区域A，用作防结冰区段。

用于区域B的外层片P1的倾斜纳米丝13”’有助于在z方向上进行增强并促进良好的导电性，这对雷电保护是有益的。

图4示意性示出了图3中的壳体3’的外表面11的区段从上方所见的放大的视图。在图4中清晰地示出，纳米结构丝13”（在这里为纳米纤维）暴露在外表面11中，因而形成坚硬且光滑的空气动力表面。

图5示意性示出了直接从包括上层片P1的层压板5的大纤维9延伸的生长为“林”的倾斜的CNT 13””的截面。CNT 13””是通过为高效而获得CNT的生长林的新兴CNT技术来生产的。因而CNT 13””生长为“林”的形状（成簇的对齐的CNT）并且外层片P1由单一的层构成。CNT 13””具有非常良好的导热性和导电性，因而非常适合用于雷电保护覆盖例如敏感的除冰/防结冰系统、电子系统等。通过将CNT 13””嵌入到上层片P1中使得CNT相对于外表面11的定向是单向的，能够有效地制造层压板，这是由于将实现树脂的适当分布。因而，空气动力表面将是坚硬的、光滑的和构型稳定的。

图6示意性示出风轮机叶片16。物体（风轮机叶片）的速度在叶片顶端18处为从80m/s（常规）至120m/s（最大）。具有两个叶片的风轮机将在叶片顶端处提供约为120m/s的速度。因此顶端产生最多的噪音。有一个希望（用于优化能量传输）是将风力发电站设置在靠近居民区并通过本风力叶片提供更安静的发电站。即，光滑坚硬的表面因为能够设置为靠近建筑物而提供安静的发电站并且因而节约能量。由于顶端具有最高的速度，所以图6的风轮机叶片设置有外表面，该外表面在该物体经受气流时用作空气动力表面，该物体包括由至少一个层片的层压板制成的树脂基体，该树脂基体包括所述外表面。在叶片顶端的区域内的外层片包括嵌入其中的纳米结构13，使得在层片中的纳米结构的细丝具有相对于外表面的平面相同的定向。

通过将层压板（对于每个层片而言）中的纳米结构丝定向为基本上相同的方向，能够有效制造层压板，这是由于将实现在层压板的生产期间的树脂的恰当分布。因而，该空气动力表面将是坚硬的、光滑的和构型稳定的。因此风轮机叶片的外表面11的光滑度能够随时间的推移而得以保持。该光滑度促进在外表面11之上的层流，其中，该风力发电站将是高效率的。此外，外表面11不会由于若干起作用的效应例如在层压板固化期间的聚合材料的固化收缩、在表面层（富树脂区域）中的树脂的不均匀分布以及因此表面材料的不同的热延伸等而具有不期望的粗糙度。这将促进风轮机叶片的良好设计的层压板。

图7a示意性示出风轮机叶片的外表面11，该外表面11包括嵌入到塑料的上层（上层片P1）中的纳米碳纤维13’。上层为图2a中所示的类型，碳纳米纤维基本上与外表面11的平面P相平行地延伸（具有相对于外表面11的平面P相同的定向）。上层还包括大的碳纤维（未示出），大的碳纤维嵌入到塑料中，增强物体的结构（碳纤维增强塑料（CFRP）结构）。碳纳米纤维13’嵌入到塑料中，使得碳纳米纤维13’的至少一部分暴露在外表面11中，即，若干碳纳米纤维13’暴露在外表面11中，以形成坚硬的外表面，由此在长时间内保持外表面11的光滑度以促进具有高效率的风力发电站。因而，就碳纤维增强塑料（CFRP）情况下的热延伸而言，为了制成坚硬的表面而使用纳米碳纤维13’是适宜的。图7b示意性示出从上方所见的图7a中的外表面，其中示出了部分地暴露的纳米碳纤维13’。

图8a示意性示出直接从上层片P1的大的水平（与外表面的平面P相平行地延伸）碳纤维9延伸的横向地生长为“林”的CNT 13”的透视图，其。CNT 13”是通过获得CNT的生长林的新兴CNT技术来产生的。竖向的CNT 13”为适当限定的并且还有助于在标记为z的z方向上进行强化。图8b示意性示出图8a中的上层片P1的截面。图8b还示出了设置在上层片P1下方的具有（GFRP的）大的碳纤维9的层片P2，所述纤维9相对于上层片P1的大的碳纤维9的定向成45度定向，用作为在生产过程中用于横向碳纳米管13”的生长的基材。

图9a示意性示出离岸设置的风力发电站。有一个希望是为风轮机叶片16提供这样的材料特性：使得叶片不需要频繁的维修和重新安装动作。风轮机叶片16具有低重量，这是由于纳米丝结构提供了在图9b中示出的风轮机顶端18的坚硬的外表面。

图10示意性示出层压板5，其包括增强外表面11和层压板5的下侧63的纳米结构增强层61，用于避免在层压板5的生产期间的所谓的反弹效应。在层压板5的生产期间，纳米结构13因此还将被应用于层压板的与外表面11相对的一侧上。这用来防止层压板5的上侧的残余应力使层压板5弯曲，即，以与外表面11中的纳米结构丝13”’的量基本上相对应的位于层压板5的下侧63的纳米结构丝13”’的适当量来补偿所应用的外表面11的纳米结构13。

图11a示意性示出根据现有技术的风轮机叶片的层压板的一部分。碳纳米管在上层片中随机地定向。在物体的制造期间，树脂将受到阻碍而不能有效地流动到碳纳米管之间的空间中（以箭头s示出）。

图11b示意性示出本发明的实施方式的一部分，其包括第一上层片P1和设置在上层片P1下方的第二层片P2。层片P1和层片P2二者都包括嵌入在其中的纳米丝。上层片P1包括成簇地应用到第二层片P2上的纳米丝F。所述纳米丝簇是通过与普通纸的生产相类似的程序来制造的。纳米丝F与流体混合。流体流出而留下的纳米丝F将形成成簇的随机定向的纳米丝（在图中从上方以及朝向纳米丝簇的平面所见）。然而，纳米丝簇将具有这样的纳米丝：它们的延长部分在与纳米丝簇的平面相平行的方向上延伸，即，纳米丝F的延伸将基本上与外表面11的平面P的延伸相平行。在层压板的生产期间，用作为树脂基体的树脂将不受妨碍地流动到纳米丝簇中并且将填充纳米丝F之间的所用空间（以箭头S标记），因而提供坚硬的和均匀（光滑）的构型稳定的外表面。

当然，本发明不以任何方式受限于上述优选实施方式，而是有修改或结合上述实施方式的许多可能，因此在不违背如所附权利要求所限定的本发明的基本思想的情况下，这些修改或结合对于本领域的普通技术人员而言应当是明显的。

纳米结构丝能够以这样的方式嵌入到上层片中：使得纳米丝的一部分暴露在外表面中。这意味着纳米结构的一部分暴露在外表中，意味着该部分细丝——包括第一端部和第二端部——是暴露的。因而它们可使它们的第一端部暴露于外表面中。

典型的复合部件例如风轮机叶片以及CFRP的或者类似材料的一体式叶片前缘能够例如在凹形工具中固化。发明的表面层（预固化的或未固化的）能够在固化操作之前设置到该工具中以形成固化组件的外层。CNT增强表面层能够在复合机体部件的层叠以及固化中一体形成。CNT增强表面层也能够作为喷覆层（例如通过静电涂）来应用或作为在固化后附接至复合结构上的单独制造的层来应用。

CNT能够通过为高效而获得CNT的生长林的新兴CNT技术来生产。已知CNT优选地生长为具有竖直的、倾斜的或水平设置的纳米管的“林”（成簇的对齐的CNT）的形状。这些设置的组合也是可能的，例如，两个或更多的单独的层彼此上下叠置。还可使CNT生长为适当限定的图案，适于预期的应用。在该申请中，术语CNT包括所用类型的碳纳米管。这些碳纳米管可为单层的、双层的或多层的纳米管。此外，可以使用类CNT材料如石墨烯、石墨化炭黑和类似的具有适合的电特性和热特性的碳基材料。外层片/外层的复合材料可以是环氧树脂、聚酰亚胺、双马来酰亚胺、酚醛树脂、氰酸酯、PEEK、PPS、聚酯、乙烯酯以及其他可固化的树脂或者它们的混合物。如果使用，则大纤维结构可具有陶瓷、碳和金属或者它们的混合物。

包括纳米结构的层片能够应用于现存的、已经制造及组装的机体结构的外部。能够通过在风轮机叶片结构上的粘结或共固化或共粘合来完成该应用。

Claims (10)

1.一种包括外表面（11）的风轮机叶片，所述外表面（11）在所述叶片（3、3’、16）经受气流（a）时用作空气动力表面，所述叶片（3、3’、16）包括树脂基体，所述树脂基体由包括所述外表面（11）的至少一个层片（P1）的层压板（5）制成，

其特征在于，所述外层片（P1）包括以如下方式嵌入到所述外层片中的纳米结构（13）：使得所述层片（P1）中的所述纳米结构的纳米丝（13’、13”、13”’、13””）基本上具有相对于所述外表面（11）的平面（P）相同的角度定向。

2.根据权利要求1所述的风轮机叶片，其中，所述纳米结构（13）的至少一部分暴露于所述外表面（11）中。

3.根据权利要求1或2所述的风轮机叶片，其中，所述外层片（P1）为包括至少两个层片（P1、P2）的层压板（5）的层片，其中，每个层片（P1）包括大纤维（9），所述大纤维（9）具有与相邻的层片（P2）的大纤维（9）的定向不同或相同的定向。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的风轮机叶片，其中，所述纳米结构（13）在所述层片（P1、P2）内非常密集从而使其尽可能的坚硬，但未密集到使其失去导电性。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的风轮机叶片，其中，所述纳米结构的丝（13’、13”、13”’、13””）定向为横向于所述外表面（11）的平面（P）。

6.根据权利要求1至4中的任一项所述的风轮机叶片，其中，所述纳米结构的丝（13’、13”、13”’、13””）定向为相对于所述外表面（11）的平面（P）倾斜。

7.根据权利要求1至4中的任一项所述的风轮机叶片，其中，所述纳米结构的丝（13’、13”、13”’、13””）定向为与所述外表面（11）的平面（P）相平行。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的风轮机叶片，其中，所述纳米结构（13）包括碳纳米管。

9.根据权利要求8所述的风轮机叶片，其中，所述碳纳米管为对齐的碳纳米管（13””）的林状簇的形状。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的风轮机叶片，其中，所述纳米结构（13）位于所述叶片的顶端（18）的区域内。

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