玻璃钢夹芯材料在风能行业的应用

夹芯材料发展趋势 
      从全球范围来说，2009年风电行业将保持增长的态势。按照2008年新增装机容量27 GW计算，夹芯材料的需要即超过18万立方米。2009年全球风电产业对夹芯材料的需求量不会低于2008年。 
       但同时，为了缓解经济压力，风电设备和零部件生产商都在积极寻求各种方法来尽量降低成本，叶片厂家也希望通过降低各种材料价格来减小成本支出。目前，叶片用夹芯材料主要有PVC硬质泡沫、Balsa轻木、PET泡沫和SAN泡沫，夹芯材料成本约占叶片材料总成本的20%。降低夹芯材料成本的方案有两种：一是优化夹层结构部位的设计，二是选用新型性价比更高的夹芯材料。另外，机舱罩也越来越多地采用泡沫夹芯复合材料结构。
      常用的夹芯材料
      目前，用于复合材料夹层结构的夹芯材料主要有：硬质泡沫、蜂窝和轻木三类。硬质泡沫主要有聚氯乙（PVC）、聚氨酯（PU）、聚醚酰亚胺（PEI）和丙烯腈一苯乙烯（SAN或AS）、聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）、热塑性聚乙（PET）等。
      蜂窝夹芯材料有玻璃布蜂窝、NOMEX蜂窝、棉布蜂窝、铝蜂窝等。蜂窝夹层结构的强度高，刚性好，但蜂窝为开孔结构，与上下面板的粘接面积小，粘接效果一般没有泡沫好。
      轻木夹芯材料是一种天然产品，市场常见的轻木夹芯为Baltek®（博泰克）品牌的SB系列Balsa木。Balsa轻木主要产自南美洲的种植园，由于气候原因，Balsa木在当地生长速度特别快，所以比普通木材轻很多，且其纤维具有良好的强度和韧性，特别适合用于复合材料夹层结构。
      目前，加铝（Alcan）复合材料集团旗下的芯材事业部能够提供种类齐全的芯材产品，拥有多种类型的泡沫产品和厄瓜多尔大部分的轻木种植园，一直引领着复合材料夹层结构芯材的研发和应用。Alcan能够提供AIREX®（艾瑞科斯）品牌的系列硬质泡沫(交联PVC泡沫、线性PVC泡沫、PET泡沫、PEI泡沫、PU泡沫等)，以及质地优良的Baltek®（博泰克）Balsa系列轻木（全球市场份额超过70%），其产品涵盖了复合材料行业的各个应用领域。
      夹芯材料在风电叶片上的应用 
      夹芯材料是风电叶片的关键材料之一，为增加结构刚度，防止局部失稳，提高整个叶片的抗载荷能力，在叶片的前缘、后缘以及剪切肋等部位，一般都会采用夹层结构。
      目前，用于风电叶片的夹芯材料主要有交联PVC泡沫、Balsa轻木和PET泡沫。典型的设计方案是，把强度较高的Balsa轻木（密度为150 kg/m3）用于承受载荷较大的靠近叶根的部位，交联PVC泡沫（密度为60 kg/m3）用于承载较小的靠近叶尖的部位，从叶根向叶尖方向，夹芯材料的厚度逐渐减小。也有叶片厂家只使用Balsa轻木或泡沫。
      下面以Alcan集团的AIREX®C70/C71泡沫、BALTEK®SB轻木和AIREX®T92泡沫为例，说明这些芯材的特点及其在风电叶片上的应用。
      叶片用PVC泡沫
      PVC泡沫实际上是PVC和聚氨酯混合物，但常常都简单的说成PVC泡沫。PVC泡沫耐苯，所以能够和聚酯树脂共同使用。交联PVC泡沫具有很好的静力和动力性能，可以用于承载要求高的产品。使用温度在-240℃~＋80℃之间，并且能够耐多种化学物质腐蚀。
      AIREX?C70/C71泡沫广泛应用于风电叶片的制造，该系列泡沫为闭孔结构，可以防止树脂被吸入泡沫内部从而增加叶片的重量。由于叶片的前缘、后缘均为壳体，所以在使用前要对泡沫板材进行特别的处理，处理方法有两种：热处理和机械处理。热处理即利用泡沫在一定温度下变软的特性，在使用前将泡沫加热到特定的温度，配以适当的工装将泡沫塑造成与叶片对应位置相一致的曲面，然后再铺放在叶片上。机械处理即对泡沫进行单面切割，将一块泡沫分割成许多小块，未切割的面用玻璃纤维织物粘贴以保证小块不散落。热处理操作复杂，对不同的曲面形状要求使用不同的工装，其优点在于未经切割、没有沟槽，不会吸收多余的树脂；机械处理需要专门的机器进行切割，通用性好，生产效率高，对任何部位都可使用一种规格的切割方法，但其沟槽内将会充满树脂，从而增加叶片重量。目前常用的方法是机械处理法。
       AIREX®C70适用于一般的手糊、真空灌注工艺。AIREX®C71泡沫的力学性能与C70相近，但其在C70的基础上大大改善了耐高温性能，适用于预浸料法等成型温度较高（可达140℃）的工艺。
叶片用Balsa轻木
      BALTEK®SB轻木是一种天然产品，主要产自南美洲的种植园，本身是一种类似微孔的蜂窝结构，用于叶片时一般会在轻木两个表面用专用处理剂涂刷封孔，防止树脂渗入轻木内部。Balsa轻木夹芯在生产和使用等各个环节中要特别注意防潮，在储存和运输过程中应始终保持密闭包装，最好在使用时现场拆包，否则容易吸水，导致重量增加，影响树脂的固化以及夹芯材料和面板的粘接。轻木夹芯一般都是通过机械处理使其由刚性轻木板变成可以铺放在曲面上的柔性板。
       BALTEK®SB轻木夹芯材料的密度范围在100-250 kg/m3之间，其强度和刚度远超各类泡沫的强度和刚度，成型温度广泛（-212℃~ +163℃)，是一种非常理想的天然夹芯材料。
       叶片用PET泡沫
      AIREX®T92 PET芯材是Alcan集团于2009年3月底推出的新产品，是AIREX®T91的升级换代产品。AIREX?T90和T91自2005年推出以来取得了巨大成功，由此Alcan也积累了丰富的经验和精湛的技艺，使其成功推出新的AIREX®T92，这次以重新配制和大大改进的结构PET泡沫再次居于行业领先地位，其机械性能和损坏韧性大大增强，开创了PET泡沫的新时代，成为各种结构夹层应用的首选材料，包括风电叶片。 
      AIREX®T92的技术性能大大超越了其前身T91，使得芯材更轻，同时更为牢固和坚硬。但其真正的突破在于剪切断裂伸长率以及损坏韧性：剪切断裂伸长率达15％的新AIREX®T92在PVC泡沫系列中具有更高的损坏韧性。除了这些巨大的优势以外，新产品仍然具有高性价比、耐疲劳、可热成形和易于使用等特点，其前身已经对此做出了很好的证明。AIREX®T92能与所有树脂相容，生产过程中温度可高达150℃，既不会收缩，也不会放气，这将大大提高生产过程的效率。
      另外，AIREX®T92可以循环再利用，而先进的生产技术大幅度提高了环保效益。所有AIREX®T92都能得到充分回收利用。同时，用于AIREX®PET泡沫生产的发泡剂二氧化碳实际上是另一生产过程的副产品，因此，在整个生产过程中不会产生任何温室气体，从而大大提高了产品的环保力度。
      夹芯材料在机舱罩上的应用
      机舱罩在使用过程中承受的载荷不像叶片那么大，采用的芯材主要是PU泡沫，该类泡沫力学性能表现一般，市场供应量充足，且价格较便宜。
       AIREX®C51泡沫即是一种优秀的闭孔PU泡沫，在常温下即容易塑造各种形状，多年的使用经验证明了其是风电机组复合材料机舱罩的理想芯材。
      夹芯材料的选择
      在风电叶片设计中，夹层结构芯材的选择主要考虑三个方面的因素：力学性能（强度、刚度和密度）要求、工艺条件（承受的温度、制品形状、芯材的加工等）要求和价格。
       芯材选择的基本原则是在满足最终叶片技术要求的同时尽量减小成本。
       做好叶片夹层结构设计和芯材选择的前提是要充分了解各类芯材的性能特点，同时，一般要根据最终产品的性能和工艺方法进行特定的试验来减小风险。在产品设计的初期就与芯材供应商进行充分的探讨则会取得事半功倍的效果。 ----