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PVC结构发泡夹心材料在风电叶片中的应用
 
PVC结构发泡夹心材料在风电叶片中的应用
 
1.  全球风能概况和夹芯材料发展趋势 
据中国风能协会的统计,到2008年底,全球风电总装机容量达到120.8GW。2008年新增装机容量超过27GW,同比增长36%。2008年,欧洲与北美齐头并进,新增装机容量都大约为8.9GW,亚洲以8.6GW而紧随其后。处于领先地位的是美国和中国市场,美国新增装机容量8.4GW,中国新增装机容量6.3GW。
2008年,在欧洲,风电已成为新增电力中的主力电源,除了德国、西班牙和丹麦成熟市场的推动外,在法国、英国和意大利的引领下,欧洲风电市场的发展更加均衡;在美国,当年竣工的风电项目容量占本年度美国所有新增力装机的42%,确立了风电在美国新增电力生产当中的主力电源地位,并显示出在促进就业方面的巨大作用。在中国,当年新增容量超过了之前的历史总和,为应对金融危机的影响,政府已将发展风能作为经济关键增长点之一。 
  2009年,在世界经济形式颇为艰难的大环境下,欧美地区的风电增长情况难以预计2009年新增装机容量还会翻番,届时会达到该年度世界新增风电装机总量的三分之一甚至更多。从全球范围来说,应该保持增长的态势。按照2008年的新增装机容量27GW计算,需要夹芯材料即超过18万m3。2009年全球风电产业对夹芯材料的需求量应不会低于2008年。 
  但同时,为了缓解经济压力,风电设备和零部件生产商都在积极寻求各种方法来尽量降低成本,叶片厂家也希望通过降低各种材料价格来减小成本支出。目前,叶片用夹芯材料主要有PVC硬质发泡材料、balsa轻木、PET泡沫和SAN泡沫,夹芯材料成本占叶片材料总成本的20%左右。
2  PVC发泡夹芯材料的性能特点 
  PVC泡沫实际上是PVC和聚氨酯混合物,但常常都简单的说成PVC泡沫。PVC泡沫耐苯,所以能够和聚酯树脂共同使用。PVC泡沫主要有两种,一种是交联PVC,另外一种是非交联PVC,也叫做线性PVC泡沫。 
  交联PVC泡沫具有很好的静力动力性能,可以用于承载要求高的产品。使用温度在-240度~+80度,并且能够耐多种化学物质腐蚀,市场上使用的主要有Airex和DIAB的PVC产品。经改进的PVC泡沫可用于预浸料等耐热要求更高的工件中,使用温度可达140度,如Airex C71系列。线性PVC泡沫力学性能,化学稳定性(耐苯)和热变形性能相对要低一些,但兼具良好韧性和柔性,能吸收消化巨大的冲击能量,抗冲击性能特别好,例如Airex R63系列。 
  叶片用PVC泡沫都是闭孔结构,可以防止树脂被吸入泡沫内部从而增加叶片的重量。由于叶片的前缘、后缘均为壳体,所以在使用前要对泡沫板进行特别的处理,这种处理有两种方法:热处理和机械处理。热处理即利用泡沫在一定温度可以变软的特性,在使用前将泡沫加热到特定的温度,配以适当的工装将泡沫塑造成和叶片对应位置相一致的曲面,然后再铺放在叶处上。机械处理即对泡沫进行单面切割,将一块泡沫分割成许多小块,未切割的面用玻璃纤维织物粘贴以保证小块不散落。热处理操作复杂,对不同的曲面形状要求使用不同的工装,其优点在于未经切割、没有沟槽,不会吸收多余的树脂;机械处理需要专门的机器进行切割,通用性好,生产效率高,对任何部位都可使用一种规格的切割方法,但其沟槽内将会充满树脂,带来叶片重量的增加。目前常用的是机械处理法。
  PVC泡沫的性能稳定,质地均匀,同一牌号的泡沫其力学性能与密度基本成线性关系。但其强度重量比不及balsa轻木,所以多用于载荷较小的靠近叶尖部分。
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