夾心材料：葉片變革之源（上）

　　有人將風電行業的發展描述為從造船思維到汽車制造與航空航天相結合思維的轉移。造船思維的特點是零碎，以項目為基礎，且大多數產量很低，而汽車制造與航空航天混合思維則具有高產量，高性能，高質量的特點。風電行業的發展壓力存在于這個葉片制造供應鏈，并不僅僅是芯材供應商所負責的環節。事實上，今天風機葉片專用夾心材料的種類和質量以及風機葉片制造商發布的質量控制說明書都表明，風電行業對產品的質量非常關注，他們將始終如一的制造優質產品。
    
　　與許多復合材料加工商一樣，葉片制造商也會對眾多變數進行相互權衡，為實現成本及性能目標而選擇不同的組合。夾心材料的類型會對幾個量度產生影響：夾心結構的厚度及機械性能，葉片的耐用性及其成本。一些夾心材料具有較好的機械強度，但是其價格也非常高。當然，也有一些比較經濟的夾心材料，但缺乏機械強度，因此為了滿足特定的要求則需要制造一種更厚的夾心結構。有的夾心材料只適合于平整的表面，而另外也有一些，如蜂窩結構就不易灌輸。
 

　　此外，葉片制造商越來越多的利用計算機輔助設計/計算機輔助制造（CAD/CAM），有限元分析(FEA)以及模擬的方法來推測在葉片的不同部位采用何種材料最合適，如此以來，他們就可以使材料在使用上達到最佳化，滿足葉片上不同位置的不同要求。一些葉片制造商熱衷于使用巴沙木而非泡沫，而另外一些則更傾向于使用泡沫或者使用不同芯材的組合，目前傾向于各種芯材組合的制造商日益增多。最后，夾心材料裝配商
Creative Foam公司的副總裁兼高級工程師Don Marriott說：“如果葉片制造商確立了一種可行的葉片設計方案，那么要對其進行更改幾乎是不可能的。”
    
　　 每一家風電公司都擁有自己獨一無二的葉片設計方案，通常他們會將其分包給葉片制造商。為任何單獨一家全球風電公司提供與其設計完全相同的葉片時，一般會涉及到多個葉片制成品。這就是全球風電行業的規律，因為即使是單一一家風電公司，它所需要的產品的數量也非常大，因此就需要由多個葉片制造商來生產。各葉片設計方案中所用的材料被認為是專有的，而且幾乎是一個嚴格保守的秘密。盡管如此，各葉片生產商所用的原材料仍沒有太大變化。因此我們還是有可能對葉片生產中所用夾心材料的種類，芯材在葉片中的位置以及使用這種芯材可能會發生何種改變有一個基本認識。不過有一件事情是非常清楚的，那就是：在過去的五年內，風機葉片發展成了一種更加混合的產品，這也就意味著在一種葉片設計中，夾心材料的選擇會根據葉片殼板及抗剪腹板不同位置對材料、重量、結構、產品及成本的不同要求發生重大改變。對供應商而言，在供應原材料有所改變的產品方面，他們也涉及其中。顧瑞特公司的George說：“在葉片原材料選擇上放開眼光非常重要，我們需要對最好產品中的最佳原材料進行優化。”

　　現有的夾心材料
    
　　在過去的幾年內，市場上出現了四種夾心材料，它們均在風電產品中得到最廣泛的使用。它們是：橫切面巴沙木，苯乙烯丙烯晴(SAN)泡沫，聚氯乙烯泡沫（PVC）及聚對苯二甲酸乙二酯泡沫（PET）。橫切面巴沙木非常流行，這主要有三條原因：其一、其價格便宜；其二、橫切面“蜂窩”結構擁有強健的機械性能——密度為5-lb/ft³ to 15-lb/ft³；其三、橫切面巴沙木是由一種可持續且可再生的資源即快速生長的巴沙木樹制造而成。盡管在混合葉片結構中，巴沙木可用在葉片的各個部位，但由于它具有高強度和高硬度，通常更多的還是用在葉片的基礎部位（在40米長葉片的前端十米）。

　　橫切面巴沙木（圖片來自德國西門子公司）

　　巴沙木的機械性能主要是由其橫切面結構決定的，但是如果在整個葉片中采用巴沙木，那么與泡沫芯材相比，其相對較高的密度就會造成重量障礙。盡管木材的密度在每塊片材中會有所變化，但是，每塊片材的平均密度都保持在緊密度公差內。然而，當涉及到注射時，巴沙木的橫切面結構就會促進樹脂的吸收，從而造成葉片重量的增加。與所有夾心材料一樣，在生產過程中，必須對巴沙木和泡沫進行切割處理，使其產生溝槽，這樣以來它們就可以與彎曲表面完全符合。這些溝槽有助于樹脂的流動，同時溝槽內也會充滿樹脂，從而使葉片的重量增加。幸運的是，在注射過程中，樹脂將溝槽填滿，消除了夾心結構中不必要的空隙。