摘　要：介紹了風力發電葉片使用的幾種泡沫芯材，每種泡沫各自的特點、泡沫本體力學性能和工藝性能。認為未來風電葉片泡沫芯材的發展方向會朝著高性能和可回收具有環境友好性的方向發展。
關鍵詞：泡沫；芯材；風電葉片；夾層結構

　　玻璃鋼／復合材料(FRP／CM)中常用的泡沫芯材有聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PUR)、丙烯腈―苯乙烯(SAN)、聚醚酰亞胺(PEI)及聚甲基丙烯酰亞胺PMI)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)等泡沫。風力發電葉片為大型結構件在殼體蒙皮和內部的剪切腹板中都使用到泡沫作為玻璃鋼夾層結構的芯層，泡沫在葉片中主要作用是在保證其穩定性的同時降低葉片質量，使葉片在滿足剛度的同時增大捕風面積。從泡沫的力學性能和價格等因素考慮，目前被用于風力發電葉片芯材的泡沫主要有聚氯乙烯泡沫、丙烯腈―苯乙烯泡沫、聚對苯二甲酸乙二醇酯泡沫和聚苯乙烯泡沫等，其中氯乙烯泡沫使
用為廣泛。

1　泡沫芯材在葉片的應用狀況

　　種用在承載構件夾層結構中的結構泡沫芯材是使用異氰酸酯改性的PVC泡沫，或稱交聯PVC，此泡沫屬于熱固性泡沫。交聯PVC的生產工藝是由德國人林德曼在2O世紀30年代后期發明的。從20世紀70年代以后，多數原來的歐洲許可生產廠家也已停產。目前主要的生產廠家是戴鉑(Diab)公司的Divinycell和Klegecell系列PVC泡沫及艾瑞柯斯(Airex)公司的Herex系列PVC泡沫和固瑞特(Gurit)公司PVCell系列PVC泡沫。目前國內天晟公司也具備生產PVC泡沫的能力，其Strucell系列泡沫性能能夠滿足葉片設計的要求。Aerodyn公司設計的多種型號的葉片均采用PVC泡沫作為葉片芯材，在國內的很多葉片公司采用Aerodyn技術的均使用PVC作為葉片芯材。同時PVC泡沫以其優良的力學性能也被廣泛用在其他設計公司設計的葉片中充當夾心材料。
　　1993年，加拿大的ATC公司開始生產SAN泡沫，此公司后被固瑞特公司收購，此泡沫屬于熱固性泡沫。SAN泡沫是先制作精胚，然后將胚體放入發泡爐中通過對溫度、時間等工藝參數的控制來獲取不同密度的泡沫。其中Corecell T400型號的泡沫密度和本體力學性能與密度為60 kg／m³的PVC泡沫十分接近，且具有較好的耐熱性。TPI葉片公司一直在使用此泡沫作為葉片的芯材，由于其具有更好的熱穩定性，目前國內已經有部分葉片公司開始用SAN泡沫替代PVC泡沫作為葉片芯材。
　　英國于1943年先制成聚苯乙烯泡沫屬于熱塑性泡沫，1944年美國陶氏化學有限公司用擠出法大批量地生產聚苯乙烯泡沫，大擠出寬度可以達到600 mm，擠出厚度可達到100 mm。目前陶氏公司針對葉片芯材主要有COMPAXX 700-X和COMPAXX 900-X兩款型號的泡沫，其中COMPAXX 700-X在蘇司蘭、中科宇能和重慶通用等葉片公司開始使用，主要用作葉片的剪切腹板的夾芯泡沫。
　　PET泡沫是近幾年才開始研制生產的泡沫，屬于熱塑性泡沫，生產工藝為擠出發泡，但與PS泡沫不同的是其擠出的寬度有限，所以擠出后要通過熱熔粘接將其拼接成較大的泡沫體以方便使用。目前能夠批量生產PET泡沫的主要有戴鉑公司、艾瑞克斯和固瑞特等公司，各家生產泡沫的密度不同，但密度基本在100 kg／m³以上。由于具有較好的耐熱性可以用作預浸料成型的葉片中，目前維斯塔斯(Vestas)葉片公司在采用PET泡沫用預浸料工藝進行葉片生產。同時艾爾姆(LM)和西門子(SIEMENS)葉片公司也在對此材料進行試用。
1.1　泡沫芯材的力學性能
　　泡沫在葉片中主要是提高葉片剛度，增加穩定性并且減輕葉片質量的作用。泡沫的本體力學性能會影響到夾層結構的力學性能，同時泡沫密度不同對葉片的質量分布也會產生影響，進而也會影響到葉片的載荷分布。為了說明每種泡沫的力學性能，對目前風電葉片普遍使用的4種泡沫進行測試，泡沫測試的型號和密度見表1。

　　葉片中使用的4種泡沫的基本力學性能見圖1、2，壓縮性能按照標準ASTM D1621-04a測試，剪切性能按照標準ASTM C273-00測試。

　　圖1、2說明風電葉片常用的4種泡沫基本力學性能，從測試的結果看，密度較大的PET泡沫強度和模量均高于其他蘭種泡沫，而PS泡沫由于密度較低在力學性能上也低于其他三種泡沫，PVC泡沫和SAN泡沫的性能居中。泡沫的使用主要通過葉片的結構設計來實現，通過對葉片結構的優化設計每種泡沫都可以很好地作為葉片的芯材。
1.2　泡沫芯材的加工及使用
　　對于芯材，除了壓縮、剪切的模量和強度以外，還需考慮泡沫的加工和在葉片中使用的工藝性能。PVC泡沫和SAN泡沫屬于熱固性材料，芯材加工可以使用機械加工工具打磨、切割、鉆孔等，包括帶鋸、車削、穿孔、打磨和仿形。PET泡沫雖然是熱固性材料但較高耐熱溫度也使得具有較好的加工性。Ps屬于熱塑性材料其耐熱溫度在100℃左右，在切割過程中，因為材料的導熱系數低，加工時泡沫的給進速度應快慢合適，否則加工時泡沫因摩擦會使材料發熱，可能導致泡沫發生融化而影響其尺寸的穩定性。
　　泡沫不同的耐熱性對葉片制作的固化工藝提出了條件。SAN泡沫和PET泡沫具有較好的耐熱性，其耐熱溫度可以在110℃時，泡沫本體的力學性能基本不會下降，同時也有良好的尺寸穩定性，這兩種泡沫也被用在預浸料工 成型的葉片中，由于預浸料成型的葉片固化溫度要在100℃以上，耐熱性較差的泡沫無法滿足其工藝要求。在真空灌注工藝生產的葉片中也需要泡沫具有較好的耐熱性，因為在葉片固化時局部區域因為放熱過快也會產生很高的溫度，有時也會接近或超過100℃。PVC泡沫和PS泡沫耐熱性較差，在超過90℃時兩種泡沫不但力學性能會出現下降，同時會出現泡沫變形，所以在真空灌注工藝成型的葉片中，需要更嚴格地監控固化溫度保證泡沫性能的穩定性，在真空灌注成型的葉片中一般控制固化溫度在80℃左右，這樣就可以使用PVC泡沫和PS泡沫。另外，PS泡沫也可以使用在手糊工藝生產的葉片中，這樣成型的葉片在預固化時溫度不會太高，然后通過后固化將葉片固化成型，由于后固化樹脂放熱量非常低這樣就可以滿足PS泡沫的使用性能。
1.3　泡沫對樹脂吸收量

　　本文介紹的4種泡沫均為閉孔發泡，當泡沫芯材應用在葉片殼體中，表面層由于使用時厚度要求不同需要加工切削，致使面層泡孔破壞產生開孔，在實際應用中樹脂通過填充泡沫表層的泡孔來達到與玻璃鋼的結合。由于每種泡沫的孔徑不同，所以對樹脂的吸收量也會產生影響。通過測試單位面積泡沫對樹脂的吸收量可以判斷表層泡孔的大小，測試結果如表2。
　　雖然幾種泡沫均是閉孔發泡材料，由于幾種泡沫的孔徑不同，單位面積的泡沫對樹脂的吸收量會存在差異。結果顯示，PVC和PET兩種泡沫對樹脂吸收量較大。如圖3所示，通過對這幾種泡沫的掃描電子顯微鏡(SEM)觀察(由Dow公司提供)，SAN泡沫、PVC泡沫和PET泡沫的孔徑明顯大于PS泡沫的孔徑，這正對應這幾種泡沫的樹脂吸收量中Ps泡沫對樹脂吸收量小，SAN泡沫的孔徑較大，但泡孔大小均勻且孔洞較淺有利于降低樹脂的吸收量，相比較下PET泡沫和PVC泡沫泡孔較深，造成樹脂吸收量偏大。

2　展　望

　　泡沫作為葉片芯材不可缺少的一部分，根據葉片設計的要求和生產工藝的考慮每種芯材都具有各自的優缺點。以PVC為代表的熱固性泡沫，由于無法降解和回收對環境和資源都存在影響，隨著未來低碳經濟的發展，熱塑性泡沫將會越來越得到重視和發展。隨著泡沫在大型結構件中大量應用，今后還會有其他種類的泡沫作為結構泡沫使用在風電葉片中。未來風電葉片設計對泡沫的要求一定是具有良好的力學性能、較寬泛的工藝適用性和環境友好性，同時葉片廠商對泡沫價格的關注也是其以后泡沫發展的一個重點。