提前预测“风、光”裂纹？NIST这个操作有点神

光伏组件的背板材料、风机的叶片等都是聚合物材料，长期户外运行时可能会产生疲劳，导致材料内部出现微裂纹，并最终发展成裂纹引发质量、财产及安全事故。

如果能提前预测背板开裂的时间，提前预测风机叶片断裂的可能，对于可再生能源两大巨头– “风、光”将是巨大福祉。

而最近，美国国家标准技术研究院(NIST)材料科学团队开发了一种工具，可以监视户外复合材料的内部损伤变化，在材料内部刚出现微裂纹时就发出提前预警，量化裂纹扩展情况，特别是针对航天、风力涡轮机等复合材料部件，对预防财产损失、安全事故的发生有及其重要的意义。

风机是研究重点

风机叶片是风力发电机的核心部件之一，约占风机总成本的15%-20%，它设计的好坏将直接关系到风机的性能以及效益。近20年来，叶片直径增加了近10倍，对材料要求不断提高，不仅需要较轻的重量，还要有较高的强度、抗腐蚀、耐疲劳性能，风机叶片由最初的亚麻布蒙着木板发展至钢材、铝合金，直至目前广泛采用的复合材料。

叶片外壳常采用玻璃纤维增强树脂(FRP聚合物)，叶尖、叶片主梁则采用强度更高的碳纤维，前缘、后缘以及剪切勒部位常采用夹层结构复合材料，符合材料占整个风机叶片的比重甚至高达90%。

然而正如99.8%的光伏产品没有经过实证一样，日新月异的风机技术也让“大叶片”缺乏实证。而一旦安装运行，很难在检测风机叶片的质量，因而任何一个风机的叶片都像一颗定时炸弹，万一在运行中发生折断，损失的不仅是财产，还有可能是生命安全。

在美国，风力发电量在2019年首次超越水电，成为最大的可再生能源。因而NIST把风机作为材料疲劳、隐裂预警研究的重点。

让裂纹发光、可见

自风机问世以来，科学家一直在尝试使FRP更轻，更坚固的方法，也就意味着纤维和树脂之间需要有足够的粘合力。

NIST研究人员在整个复合树脂体系中添加了能在受机械力影响后发出荧光的小分子 – 一种被称为若丹明的荧光染料，添加量小于0.1%，并且不会引起材料物理性能的明显变化。

这些被称为“机械响应基团”的染料分子会改变颜色或变亮，当树脂材料发生损伤时，其断裂点产生的震动会传递到这些染料分子，染料分子对这些机械震动发生响应而改变颜色或变亮。尽管肉眼看不见，但当用显微镜观察结果时，裂纹周围会出现光晕，显示出机械力作用后的荧光，从而帮助识别纤维与树脂之间微小纳米级的开口或裂缝。

如果将该材料嵌入FRP制成的叶片中，就可以廉价且定期地对疲劳进行现场测试。像风力涡轮机这样的结构，即使在运行数年之后，也可以轻松地进行内部裂缝的扫描。而定期的扫描检测可以帮助评估随着时间推移发生的损坏，从而预测叶片可能的剩余工作寿命，有针对性地做好运维工作。

裂纹不一定是断裂点

以前人们常认为，发生断裂的点应该先有裂纹。但科学家通过研究发现，叶片发生断裂前裂纹产生的地方可能离断裂点很远。

科学家称，当材料的纤维断裂时，会发出一种在整个材料中移动的“冲击波”，就像大海中地震后的海啸一样。因此发现最后的折断往往有时发生在距离纤维断裂点很远的地方。

这些都有助于科学家开展对断裂机理的研究。科学家认为，在设计开发叶片时这些发光的染料分子就可以帮助在测试阶段了解材料产生裂纹的过程，并进行量化的评估，因此材料研发人员可以有针对性地进行材料改性或结构改进，开发出更好，更耐疲劳的复合材料，从而缩短研发周期并降低研发成本。

在光伏行业的应用前景

由于可以在材料发生断裂前就能检测出材料内部的隐裂或微裂纹，就像对太阳能电池片进行EL成像检测微裂纹隐裂一样，这一工具可以帮助材料开发人员更早地了解材料开裂的可能。

对于背板材料，通常是由多种结构的复合材料组成的三明治夹层结构，这和风机叶片的结构有点相似。在背板材料的耐久性测试中，研究人员需要将背板放在紫外线、环境箱、盐雾室等各种老化条件下进行长时间的试验，直到材料表面发现裂纹，或者三明治结构出现分层。

在光伏实验室，这样的试验通常都是数千小时。而如果是在户外，背板的裂纹或分层可能需要数年才会出现，而这时很可能已经过了产品的保障期限。

如果能够在材料内部产生微裂纹或微小分层的时候就能检测出，并量化预测裂纹/分层扩展直至开裂，那么背板厂和组件厂就可以更早知道背板材料的可靠性，电站运营者也能更早地预见到组件失效的时间点。

这对于很难做超级加速老化试验的光伏材料来说，绝对是一个非常有意义的创新。

或许对于光伏背板材料的研发将带来一场革命性的创新。