兩種主流夾芯材料在風機葉片上應用概述

  目前,用于風電行業風機葉片的主流夾芯材料有兩種,一種是交聯PVC泡沫,另一種是BALSA輕木。交聯PVC泡沫芯材是一種化工材料,而BALSA輕木是純天然的一種綠色環保材料,由于其重量極輕的特點,目前被廣泛應用于風電行業和造船上,但又由于BALSA材料種植條件非常苛刻,需求量大,因此造成了一種供不應求的局面。
  用BALSA輕木作風機葉片的夾芯材料
  BALSA輕木本身是一種類似微孔的蜂窩結構,用于葉片的一般會在輕木兩個表面專用處理劑涂刷封孔,防止樹脂滲入輕木內部。BALSA輕木夾芯在生產和使用等各個環節中要特別注意防潮,在儲存和運輸過程中應始終保持塑料密閉包裝,好在使用時現場拆包,否則容易吸水,導致重量上升,影響樹脂的固化以及夾芯材料和面板的粘接。輕木夾芯一般都是通過機械處理使其由剛性輕木板變成可以鋪放在曲面上的柔性板。
  BALSA輕木的強度重量比遠高于同等密度的泡沫夾芯材料,但市場上輕木夾芯材料的密度一般都在90kg/m3以上,所以多用于載荷較大的靠近葉根的部分。

  典型的設計方案是,把強度較高的BALSA輕木(密度為150kg/m3)用于承受載荷較大的靠近葉根的部位,交聯PVC泡沫(密度為60kg/m3)用于承載較小的靠近葉尖的部位,從葉根向葉尖方向,夾芯材料的厚度逐漸減小。也有個別生產風機葉片的廠家只使用BALSA輕木或PVC泡沫。
  天然產品BALSA輕木是一種可再生的自然資源,且力學性能極佳,若能開發出更低密度的輕木產品,其在風機葉片上的應用將有更大作為。
  用PVC泡沫作風機葉片的夾芯材料
  目前,風機葉片用PVC泡沫也是十分廣泛。PVC泡沫的細胞結構都是閉孔結構,可以有效地防止樹脂被吸入泡沫內部從而導致增加葉片的重量。由于風機葉片的前緣和后緣均為殼體,所以在使用前要對泡沫板進行特別的處理,這種處理方法有兩種:熱處理和機械處理。

  熱處理,即利用泡沫在一定溫度可以變軟的特性,在使用前將泡沫加熱到特定的溫度,配以適當的工裝將泡沫塑造成和葉片對應位置相一致的曲面,然后再鋪放在葉片上。
  機械處理,即對泡沫進行單面切割,將一塊泡沫分割成許多小塊,未切割的面用玻璃纖維織物粘貼以保證小塊不散落。
  熱處理操作比較復雜,對不同的曲面形狀要求使用不同的工裝,其優點在于未經切割、沒有溝槽,不會吸收多余的樹脂;機械處理需要專門的機器進行切割,通用性好,生產效率高,對任何部位都可使用一種規格的切割方法,但其溝槽內將會充滿樹脂,帶來葉片重量的增加。兩種方法各有優勢,但目前常用的是機械處理法。
  PVC泡沫的性能穩定,質地均勻,同一牌號的泡沫其力學性能與密度基本成線性關系。但其強度重量比不及BALSA輕木,所以多用于載荷較小的靠近葉尖部分。
  用于風機葉片的夾芯材料還有很多,目前更多的葉片夾芯材料正向著提高性價比和促進環保的方向發展。例如PET泡沫,其力學性能比PVC泡沫差,但它可循環使用,生產過程不會產生溫室氣體,價格比PVC泡沫低。通過增加“三明治”夾層結構夾芯材料的厚度來彌補性能稍差的弱點,通過合量的計算分析,可以找尋到重量、成本和性能的佳結合點。若能通過改進配方或生產工藝來提高現有PET泡沫的力學性能,將更能顯示出其在風機葉片上的應用優勢。