风轮叶片中夹芯材料选取的分析

文 | 路超，刘宾宾，杨朋飞

风轮叶片中夹芯材料选取的分析

文 | 路超，刘宾宾，杨朋飞

风电叶片制造的主要材料有玻璃布、夹芯材料、树脂、胶黏剂、涂料五种，夹芯材料作为关键材料之一，在叶片壳体的前缘、后缘以及内部的剪切腹板中均采用夹层结构。夹芯材料的使用可减轻叶片自身重量，增加结构刚度，防止局部失稳，进而提高整个叶片的抗载荷能力，即在保证其稳定性的同时降低叶片重量，使叶片在满足刚度的同时增大捕风面积。

风电叶片中常用的夹芯材料有轻木和泡沫两种，无论哪种夹芯材料都应满足以下特点：（1）比重小；（2）有极高的强度和硬度；（3）比热小, 受气温变化影响小；（4）有良好的抗化学腐蚀性能；（5）有良好的防火性能；（6）与树脂有良好的结合性。轻木是一种天然产品，泡沫是合成结构的刚性材料，主要有聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、丙烯腈－苯乙烯（SAN或AS）、聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等，其中PS和PET为热塑性泡沫，PVC、SAN、PMI为热固性泡沫。

随着夹芯材料种类的增多，风电叶片结构设计的可选性也随之增加，但也带来了一些困扰，如不同种类夹芯材料的物理性能不同、工艺可操作性不同、树脂吸胶量不同等，无论在叶片结构设计阶段还是在叶片制作过程均需对以上因素进行考虑，本文将从上述几个方面阐述风电叶片夹芯材料的选取。

夹芯材料的物理性能

风电叶片在结构设计阶段各种主要材料选取时，首先要考虑所选材料本身的物理性能是否满足叶片设计参数要求，夹层结构的选取亦是如此，不同种类夹芯材料的物理性能对比见表1。

表1　不同种类夹芯材料的物理性能

由表1中的参数可知，轻木作为一种天然产品，取材于自然环境，属于环境友好型材料，泡沫均是人工制造的高分子聚合物材料，包括热固性泡沫和热塑性泡沫。热塑性泡沫可以二次回收再利用，减少污染，热固性泡沫属于“一次性”产品。从环境污染方面考虑，轻木是首选，但是轻木的密度最大，选用时要考虑对风电叶片重量的影响，长度低于40米叶片的夹芯材料可以选用全轻木，对于较长叶片可以考虑部分选用轻木部分使用泡沫；另外，由于轻木属木棉科，是世界上最轻的树种，较易吸水，在运输和储存过程中要做密封防潮处理，在生产制造过程中要求环境相对湿度不要超过80%，且使用前测试其含水率，一般要求含水率不要超过12%。不同种类泡沫的密度也是不同的，PVC、SAN和PMI三种热固性泡沫的密度相近，通常被应用在壳体和剪切腹板的夹层结构中。近几年PMI泡沫已被PVC和SAN两种泡沫取代了，PVC和SAN两种泡沫同厚度的可以相互替代使用；PET和PS两种热塑性泡沫的密度相差较大，PET泡沫的密度最大，且较前三种热固性泡沫的密度大，无论应用在壳体还是剪切腹板中，对风电叶片最终重量的影响较明显，因此有较少的制造商选用PET泡沫，但PET泡沫具有较好的耐热性，对于预浸料成型叶片的夹层结构，PET泡沫是首选，PS泡沫的密度最小，一般被应用在剪切腹板上。

风电叶片中环氧型叶片居多，其次是不饱和聚酯型叶片，轻木和泡沫均可与环氧树脂同时使用，且结合性较好，对于不饱和聚酯树脂，PS泡沫不能与其同时使用，因为聚酯树脂中含有苯，会将PS泡沫溶化，其它种类泡沫可以与聚酯树脂同时使用。

夹芯材料的其它物理性能（剥离能、压缩强度/模量、剪切强度/模量、树脂吸胶量等）需要针对不同厂家的不同夹芯材料进行试验测试，判断是否达到材料本身的性能参数，是否满足风电叶片设计参数。

夹芯材料的工艺可操作性

除了考虑夹芯材料的物理性能外，还需考虑夹芯材料的加工和在风电叶片中使用的工艺可操作性。夹芯材料一般经过平板→轮廓板→套材的过程后用于叶片的制造，整个过程中大部分采用机械加工工艺，如锯切、刀模冲切、钻孔、打磨、倒角等，轻木和泡沫的耐热性均较好。这些机械加工对其自身性能并无影响，夹芯材料的套材投入使用后，可能会通过人工对夹芯材料的尺寸修正或修补，密度最大的轻木相对于泡沫不易操作。

夹芯材料的轮廓板加工成套材的过程中，部分分化块会从底面纤维布上掉落下来，影响套材的整体性和夹芯材料铺设速度，已有厂家调整了加工工艺（平板→套材→轮廓板），即将平板芯材先经过锯切、倒角工序后再加工成轮廓板，这样使芯材套材的整体性强，铺设容易。

夹芯材料的树脂吸胶量

应用在壳体和剪切腹板中的夹芯材料，为了满足树脂灌注要求，并与模具异型贴合完好，需要对平板夹芯材料进行后处理，后处理方式有开槽和打孔。槽宽、槽深、孔径、分化块大小均因不同风电叶片设计要求而不同，制件灌入树脂后使槽道和孔道内完全填入树脂，树脂密度约为1200kg/ m3，芯材密度约为60kg/m3（以PVC H60计算），相差20倍，这对叶片重量影响很大。可见，夹芯材料的树脂吸胶量不仅仅是平板表面的吸胶量，还包含夹芯材料槽道、孔道内的储胶量。

夹芯材料的后处理方式见图1和图2。图1为平板打孔方式，图2为分化块开槽方式，包括深槽和浅槽两种，也可以是开槽和打孔两种方式的结合。

由于夹芯材料的槽道和孔道一般均为规则形状，便于储胶量的理论计算，计算方法如下：

其中：m1—单位面积夹芯材料槽（孔）道储胶量，kg；

V1—深槽内树脂体积，m³；

V2—孔内树脂体积，m³；

V3—浅槽内树脂体积，m³；

ρ—树脂密度，kg/m³。

其中：a—分化块的长度，m；

b—分化块的宽度，m；

d—槽宽，m；

H—夹芯材料的厚度，m；

h—深槽距底面距离，m。

其中：r—孔半径，m；

D—孔间距，m。

其中：e—浅槽的宽度，m；

选取2017年2月~2018年2月我院接收的88例秋季腹泻患儿,将其随机分为观察组与对照组,各组44例,观察组男23例,女21例,年龄7个月~5.6岁,平均年龄为(2.86±0.43)岁;对照组男24例,女20例,年龄6个月~5.5岁,平均年龄为(2.89±0.46)岁。所有患儿及其家长均自愿签订知情同意书。两组患儿年龄、性别等一般资料比较(P>0.05)。

c—浅槽的深度，m；

n—浅槽类型：“十”字浅槽时，n=1；“井”字浅槽时，n=2。

将公式（2）、（3）、（4）代入公式（1）中，得到：

夹芯材料的树脂吸胶量是平板的吸胶量和槽（孔）道储胶量之和，即：

M—单位面积夹芯材料的树脂吸胶量，kg；

m2—单位面积夹芯材料平板的树脂吸胶量，kg。

将公式（5）代入公式（6），得到：

PVC、SAN、PMI、PET、PS五种泡沫均为闭孔型泡沫，泡沫经过后处理后，表层的泡孔被破坏产生开孔，将会使树脂进入泡孔内来达到与玻璃钢的有效结合，不同种类泡沫的孔径不同，树脂的吸入量随之不同。该树脂吸入量即为泡沫平板的吸胶量，需通过试验测试得到，计算泡沫的树脂吸胶量时，还需要考虑槽道壁和孔道壁的泡孔也被破坏，同样有树脂的吸入。

轻木经过纵切后，表面有木材细胞开口，形成毛细管，真空灌注时，由于毛细管作用，树脂将会进入板材，适当的进入有助于提高剥离强度，过多的进入将会导致产品重量的增加，可见轻木表面封孔的必要性，但实际封孔与未封孔轻木平板的单位面积树脂吸胶量相差不大，随使用面积的增加树脂吸胶量相差将会增大。对于非闭孔型轻木的树脂吸胶量计算，后处理方式对其无影响，对于闭孔型轻木的树脂吸胶量计算，需要考虑开槽区域的闭孔失效，可以按照非闭孔型轻木的树脂吸胶量计算。由于轻木属于自然生长，内部结构不规则，导致轻木的理论树脂吸胶量计算将会存在一定偏差。另外，轻木的纵向方向类似于纤维状，与玻璃钢成垂直状态，铺设过程中要保证所有区域轻木方向的一致性，以免影响轻木的树脂吸胶量计算，甚至影响产品质量。

结语

通过上述对夹芯材料选取中的叶片设计、工艺验证，芯材使用情况的分析得到以下几点结论：

（1）PS泡沫一般只被应用在剪切腹板上，其它种类泡沫和轻木均可应用在剪切腹板和壳体上，PVC和SAN两种泡沫同厚度的可以相互替代使用，对于预浸料成型叶片的夹层结构PET泡沫是首选。

（2）PS泡沫不可以与不饱和聚酯树脂同时使用，其它种类泡沫和轻木均可与聚酯树脂和环氧树脂同时使用。

（3）轻木和泡沫的机械加工工艺操作性较好，但轻木的手工加工工艺相对于泡沫较差一些。

（4）为了使芯材套材的整体性强，铺设容易，可以将夹芯材料的加工过程由平板→轮廓板→套材调整为平板→套材→轮廓板。

（5）夹芯材料的树脂吸胶量包括平板表面的吸胶量和芯材槽道、孔道内的储胶量，理论树脂吸胶量计算时，要考虑后处理方式是否对其有影响。

（6）轻木铺设过程中保证所有区域轻木方向的一致性。随着风电叶片长度的不断加长，对各种材料的性能要求也越来越高，未来的风电叶片倾向于碳纤维或预浸料结构，这将要求夹芯材料具有较高的耐热性。另外，废弃叶片的处理一直都未得到完善解决，因此未来的夹芯材料倾向于热塑性芯材，并将逐渐替代热固性芯材。

（作者单位：中航惠腾风电设备股份有限公司）