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玻璃鋼夾芯材料在風能行業的應用

放大字體  縮小字體 發布日期:2014-03-25  瀏覽次數:75

夾芯材料發展趨勢 
      從全球范圍來說,2009年風電行業將保持增長的態勢。按照2008年新增裝機容量27 GW計算,夾芯材料的需要即超過18萬立方米。2009年全球風電產業對夾芯材料的需求量不會低于2008年。 
       但同時,為了緩解經濟壓力,風電設備和零部件生產商都在積極尋求各種方法來盡量降低成本,葉片廠家也希望通過降低各種材料價格來減小成本支出。目前,葉片用夾芯材料主要有PVC硬質泡沫、Balsa輕木、PET泡沫和SAN泡沫,夾芯材料成本約占葉片材料總成本的20%。降低夾芯材料成本的方案有兩種:一是優化夾層結構部位的設計,二是選用新型性價比更高的夾芯材料。另外,機艙罩也越來越多地采用泡沫夾芯復合材料結構。
      常用的夾芯材料
      目前,用于復合材料夾層結構的夾芯材料主要有:硬質泡沫、蜂窩和輕木三類。硬質泡沫主要有聚氯乙(PVC)、聚氨酯(PU)、聚醚酰亞胺(PEI)和丙烯腈一苯乙烯(SAN或AS)、聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)、熱塑性聚乙(PET)等。
      蜂窩夾芯材料有玻璃布蜂窩、NOMEX蜂窩、棉布蜂窩、鋁蜂窩等。蜂窩夾層結構的強度高,剛性好,但蜂窩為開孔結構,與上下面板的粘接面積小,粘接效果一般沒有泡沫好。
      輕木夾芯材料是一種天然產品,市場常見的輕木夾芯為Baltek®(博泰克)品牌的SB系列Balsa木。Balsa輕木主要產自南美洲的種植園,由于氣候原因,Balsa木在當地生長速度特別快,所以比普通木材輕很多,且其纖維具有良好的強度和韌性,特別適合用于復合材料夾層結構。
      目前,加鋁(Alcan)復合材料集團旗下的芯材事業部能夠提供種類齊全的芯材產品,擁有多種類型的泡沫產品和厄瓜多爾大部分的輕木種植園,一直引領著復合材料夾層結構芯材的研發和應用。Alcan能夠提供AIREX®(艾瑞科斯)品牌的系列硬質泡沫(交聯PVC泡沫、線性PVC泡沫、PET泡沫、PEI泡沫、PU泡沫等),以及質地優良的Baltek®(博泰克)Balsa系列輕木(全球市場份額超過70%),其產品涵蓋了復合材料行業的各個應用領域。
      夾芯材料在風電葉片上的應用 
      夾芯材料是風電葉片的關鍵材料之一,為增加結構剛度,防止局部失穩,提高整個葉片的抗載荷能力,在葉片的前緣、后緣以及剪切肋等部位,一般都會采用夾層結構。
      目前,用于風電葉片的夾芯材料主要有交聯PVC泡沫、Balsa輕木和PET泡沫。典型的設計方案是,把強度較高的Balsa輕木(密度為150 kg/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60 kg/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。也有葉片廠家只使用Balsa輕木或泡沫。
      下面以Alcan集團的AIREX®C70/C71泡沫、BALTEK®SB輕木和AIREX®T92泡沫為例,說明這些芯材的特點及其在風電葉片上的應用。
      葉片用PVC泡沫
      PVC泡沫實際上是PVC和聚氨酯混合物,但常常都簡單的說成PVC泡沫。PVC泡沫耐苯,所以能夠和聚酯樹脂共同使用。交聯PVC泡沫具有很好的靜力和動力性能,可以用于承載要求高的產品。使用溫度在-240℃~+80℃之間,并且能夠耐多種化學物質腐蝕。
      AIREX?C70/C71泡沫廣泛應用于風電葉片的制造,該系列泡沫為閉孔結構,可以防止樹脂被吸入泡沫內部從而增加葉片的重量。由于葉片的前緣、后緣均為殼體,所以在使用前要對泡沫板材進行特別的處理,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下變軟的特性,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與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,從而增加葉片重量。目前常用的方法是機械處理法。
       AIREX®C70適用于一般的手糊、真空灌注工藝。AIREX®C71泡沫的力學性能與C70相近,但其在C70的基礎上大大改善了耐高溫性能,適用于預浸料法等成型溫度較高(可達140℃)的工藝。
葉片用Balsa輕木
      BALTEK®SB輕木是一種天然產品,主要產自南美洲的種植園,本身是一種類似微孔的蜂窩結構,用于葉片時一般會在輕木兩個表面用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密閉包裝,最好在使用時現場拆包,否則容易吸水,導致重量增加,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。
       BALTEK®SB輕木夾芯材料的密度范圍在100-250 kg/m3之間,其強度和剛度遠超各類泡沫的強度和剛度,成型溫度廣泛(-212℃~ +163℃),是一種非常理想的天然夾芯材料。
       葉片用PET泡沫
      AIREX®T92 PET芯材是Alcan集團于2009年3月底推出的新產品,是AIREX®T91的升級換代產品。AIREX?T90和T91自2005年推出以來取得了巨大成功,由此Alcan也積累了豐富的經驗和精湛的技藝,使其成功推出新的AIREX®T92,這次以重新配制和大大改進的結構PET泡沫再次居于行業領先地位,其機械性能和損壞韌性大大增強,開創了PET泡沫的新時代,成為各種結構夾層應用的首選材料,包括風電葉片。 
      AIREX®T92的技術性能大大超越了其前身T91,使得芯材更輕,同時更為牢固和堅硬。但其真正的突破在于剪切斷裂伸長率以及損壞韌性:剪切斷裂伸長率達15%的新AIREX®T92在PVC泡沫系列中具有更高的損壞韌性。除了這些巨大的優勢以外,新產品仍然具有高性價比、耐疲勞、可熱成形和易于使用等特點,其前身已經對此做出了很好的證明。AIREX®T92能與所有樹脂相容,生產過程中溫度可高達150℃,既不會收縮,也不會放氣,這將大大提高生產過程的效率。
      另外,AIREX®T92可以循環再利用,而先進的生產技術大幅度提高了環保效益。所有AIREX®T92都能得到充分回收利用。同時,用于AIREX®PET泡沫生產的發泡劑二氧化碳實際上是另一生產過程的副產品,因此,在整個生產過程中不會產生任何溫室氣體,從而大大提高了產品的環保力度。
      夾芯材料在機艙罩上的應用
      機艙罩在使用過程中承受的載荷不像葉片那么大,采用的芯材主要是PU泡沫,該類泡沫力學性能表現一般,市場供應量充足,且價格較便宜。
       AIREX®C51泡沫即是一種優秀的閉孔PU泡沫,在常溫下即容易塑造各種形狀,多年的使用經驗證明了其是風電機組復合材料機艙罩的理想芯材。
      夾芯材料的選擇
      在風電葉片設計中,夾層結構芯材的選擇主要考慮三個方面的因素:力學性能(強度、剛度和密度)要求、工藝條件(承受的溫度、制品形狀、芯材的加工等)要求和價格。
       芯材選擇的基本原則是在滿足最終葉片技術要求的同時盡量減小成本。
       做好葉片夾層結構設計和芯材選擇的前提是要充分了解各類芯材的性能特點,同時,一般要根據最終產品的性能和工藝方法進行特定的試驗來減小風險。在產品設計的初期就與芯材供應商進行充分的探討則會取得事半功倍的效果。 ----
 
關鍵詞: 夾芯材料 風電 輕木
 
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