風輪葉片中夾芯材料選取的分析

文 | 路超，劉賓賓，楊朋飛

風輪葉片中夾芯材料選取的分析

文 | 路超，劉賓賓，楊朋飛

風電葉片制造的主要材料有玻璃布、夾芯材料、樹脂、膠黏劑、涂料五種，夾芯材料作為關鍵材料之一，在葉片殼體的前緣、后緣以及內部的剪切腹板中均采用夾層結構。夾芯材料的使用可減輕葉片自身重量，增加結構剛度，防止局部失穩，進而提高整個葉片的抗載荷能力，即在保證其穩定性的同時降低葉片重量，使葉片在滿足剛度的同時增大捕風面積。

風電葉片中常用的夾芯材料有輕木和泡沫兩種，無論哪種夾芯材料都應滿足以下特點：（1）比重小；（2）有極高的強度和硬度；（3）比熱小, 受氣溫變化影響小；（4）有良好的抗化學腐蝕性能；（5）有良好的防火性能；（6）與樹脂有良好的結合性。輕木是一種天然產品，泡沫是合成結構的剛性材料，主要有聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、丙烯腈－苯乙烯（SAN或AS）、聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）等，其中PS和PET為熱塑性泡沫，PVC、SAN、PMI為熱固性泡沫。

隨著夾芯材料種類的增多，風電葉片結構設計的可選性也隨之增加，但也帶來了一些困擾，如不同種類夾芯材料的物理性能不同、工藝可操作性不同、樹脂吸膠量不同等，無論在葉片結構設計階段還是在葉片制作過程均需對以上因素進行考慮，本文將從上述幾個方面闡述風電葉片夾芯材料的選取。

夾芯材料的物理性能

風電葉片在結構設計階段各種主要材料選取時，首先要考慮所選材料本身的物理性能是否滿足葉片設計參數要求，夾層結構的選取亦是如此，不同種類夾芯材料的物理性能對比見表1。

表1　不同種類夾芯材料的物理性能

由表1中的參數可知，輕木作為一種天然產品，取材于自然環境，屬于環境友好型材料，泡沫均是人工制造的高分子聚合物材料，包括熱固性泡沫和熱塑性泡沫。熱塑性泡沫可以二次回收再利用，減少污染，熱固性泡沫屬于“一次性”產品。從環境污染方面考慮，輕木是首選，但是輕木的密度最大，選用時要考慮對風電葉片重量的影響，長度低于40米葉片的夾芯材料可以選用全輕木，對于較長葉片可以考慮部分選用輕木部分使用泡沫；另外，由于輕木屬木棉科，是世界上最輕的樹種，較易吸水，在運輸和儲存過程中要做密封防潮處理，在生產制造過程中要求環境相對濕度不要超過80%，且使用前測試其含水率，一般要求含水率不要超過12%。不同種類泡沫的密度也是不同的，PVC、SAN和PMI三種熱固性泡沫的密度相近，通常被應用在殼體和剪切腹板的夾層結構中。近幾年PMI泡沫已被PVC和SAN兩種泡沫取代了，PVC和SAN兩種泡沫同厚度的可以相互替代使用；PET和PS兩種熱塑性泡沫的密度相差較大，PET泡沫的密度最大，且較前三種熱固性泡沫的密度大，無論應用在殼體還是剪切腹板中，對風電葉片最終重量的影響較明顯，因此有較少的制造商選用PET泡沫，但PET泡沫具有較好的耐熱性，對于預浸料成型葉片的夾層結構，PET泡沫是首選，PS泡沫的密度最小，一般被應用在剪切腹板上。

風電葉片中環氧型葉片居多，其次是不飽和聚酯型葉片，輕木和泡沫均可與環氧樹脂同時使用，且結合性較好，對于不飽和聚酯樹脂，PS泡沫不能與其同時使用，因為聚酯樹脂中含有苯，會將PS泡沫溶化，其它種類泡沫可以與聚酯樹脂同時使用。

夾芯材料的其它物理性能（剝離能、壓縮強度/模量、剪切強度/模量、樹脂吸膠量等）需要針對不同廠家的不同夾芯材料進行試驗測試，判斷是否達到材料本身的性能參數，是否滿足風電葉片設計參數。

夾芯材料的工藝可操作性

除了考慮夾芯材料的物理性能外，還需考慮夾芯材料的加工和在風電葉片中使用的工藝可操作性。夾芯材料一般經過平板→輪廓板→套材的過程后用于葉片的制造，整個過程中大部分采用機械加工工藝，如鋸切、刀模沖切、鉆孔、打磨、倒角等，輕木和泡沫的耐熱性均較好。這些機械加工對其自身性能并無影響，夾芯材料的套材投入使用后，可能會通過人工對夾芯材料的尺寸修正或修補，密度最大的輕木相對于泡沫不易操作。

夾芯材料的輪廓板加工成套材的過程中，部分分化塊會從底面纖維布上掉落下來，影響套材的整體性和夾芯材料鋪設速度，已有廠家調整了加工工藝（平板→套材→輪廓板），即將平板芯材先經過鋸切、倒角工序后再加工成輪廓板，這樣使芯材套材的整體性強，鋪設容易。

夾芯材料的樹脂吸膠量

應用在殼體和剪切腹板中的夾芯材料，為了滿足樹脂灌注要求，并與模具異型貼合完好，需要對平板夾芯材料進行后處理，后處理方式有開槽和打孔。槽寬、槽深、孔徑、分化塊大小均因不同風電葉片設計要求而不同，制件灌入樹脂后使槽道和孔道內完全填入樹脂，樹脂密度約為1200kg/ m3，芯材密度約為60kg/m3（以PVC H60計算），相差20倍，這對葉片重量影響很大。可見，夾芯材料的樹脂吸膠量不僅僅是平板表面的吸膠量，還包含夾芯材料槽道、孔道內的儲膠量。

夾芯材料的后處理方式見圖1和圖2。圖1為平板打孔方式，圖2為分化塊開槽方式，包括深槽和淺槽兩種，也可以是開槽和打孔兩種方式的結合。

由于夾芯材料的槽道和孔道一般均為規則形狀，便于儲膠量的理論計算，計算方法如下：

其中：m1—單位面積夾芯材料槽（孔）道儲膠量，kg；

V1—深槽內樹脂體積，m3；

V2—孔內樹脂體積，m3；

V3—淺槽內樹脂體積，m3；

ρ—樹脂密度，kg/m3。

其中：a—分化塊的長度，m；

b—分化塊的寬度，m；

d—槽寬，m；

H—夾芯材料的厚度，m；

h—深槽距底面距離，m。

其中：r—孔半徑，m；

D—孔間距，m。

其中：e—淺槽的寬度，m；

選取2017年2月~2018年2月我院接收的88例秋季腹瀉患兒,將其隨機分為觀察組與對照組,各組44例,觀察組男23例,女21例,年齡7個月~5.6歲,平均年齡為(2.86±0.43)歲;對照組男24例,女20例,年齡6個月~5.5歲,平均年齡為(2.89±0.46)歲。所有患兒及其家長均自愿簽訂知情同意書。兩組患兒年齡、性別等一般資料比較(P>0.05)。

c—淺槽的深度，m；

n—淺槽類型：“十”字淺槽時，n=1；“井”字淺槽時，n=2。

將公式（2）、（3）、（4）代入公式（1）中，得到：

夾芯材料的樹脂吸膠量是平板的吸膠量和槽（孔）道儲膠量之和，即：

M—單位面積夾芯材料的樹脂吸膠量，kg；

m2—單位面積夾芯材料平板的樹脂吸膠量，kg。

將公式（5）代入公式（6），得到：

PVC、SAN、PMI、PET、PS五種泡沫均為閉孔型泡沫，泡沫經過后處理后，表層的泡孔被破壞產生開孔，將會使樹脂進入泡孔內來達到與玻璃鋼的有效結合，不同種類泡沫的孔徑不同，樹脂的吸入量隨之不同。該樹脂吸入量即為泡沫平板的吸膠量，需通過試驗測試得到，計算泡沫的樹脂吸膠量時，還需要考慮槽道壁和孔道壁的泡孔也被破壞，同樣有樹脂的吸入。

輕木經過縱切后，表面有木材細胞開口，形成毛細管，真空灌注時，由于毛細管作用，樹脂將會進入板材，適當的進入有助于提高剝離強度，過多的進入將會導致產品重量的增加，可見輕木表面封孔的必要性，但實際封孔與未封孔輕木平板的單位面積樹脂吸膠量相差不大，隨使用面積的增加樹脂吸膠量相差將會增大。對于非閉孔型輕木的樹脂吸膠量計算，后處理方式對其無影響，對于閉孔型輕木的樹脂吸膠量計算，需要考慮開槽區域的閉孔失效，可以按照非閉孔型輕木的樹脂吸膠量計算。由于輕木屬于自然生長，內部結構不規則，導致輕木的理論樹脂吸膠量計算將會存在一定偏差。另外，輕木的縱向方向類似于纖維狀，與玻璃鋼成垂直狀態，鋪設過程中要保證所有區域輕木方向的一致性，以免影響輕木的樹脂吸膠量計算，甚至影響產品質量。

結語

通過上述對夾芯材料選取中的葉片設計、工藝驗證，芯材使用情況的分析得到以下幾點結論：

（1）PS泡沫一般只被應用在剪切腹板上，其它種類泡沫和輕木均可應用在剪切腹板和殼體上，PVC和SAN兩種泡沫同厚度的可以相互替代使用，對于預浸料成型葉片的夾層結構PET泡沫是首選。

（2）PS泡沫不可以與不飽和聚酯樹脂同時使用，其它種類泡沫和輕木均可與聚酯樹脂和環氧樹脂同時使用。

（3）輕木和泡沫的機械加工工藝操作性較好，但輕木的手工加工工藝相對于泡沫較差一些。

（4）為了使芯材套材的整體性強，鋪設容易，可以將夾芯材料的加工過程由平板→輪廓板→套材調整為平板→套材→輪廓板。

（5）夾芯材料的樹脂吸膠量包括平板表面的吸膠量和芯材槽道、孔道內的儲膠量，理論樹脂吸膠量計算時，要考慮后處理方式是否對其有影響。

（6）輕木鋪設過程中保證所有區域輕木方向的一致性。隨著風電葉片長度的不斷加長，對各種材料的性能要求也越來越高，未來的風電葉片傾向于碳纖維或預浸料結構，這將要求夾芯材料具有較高的耐熱性。另外，廢棄葉片的處理一直都未得到完善解決，因此未來的夾芯材料傾向于熱塑性芯材，并將逐漸替代熱固性芯材。

（作者單位：中航惠騰風電設備股份有限公司）