摘　要：介绍了风力发电叶片使用的几种泡沫芯材，每种泡沫各自的特点、泡沫本体力学性能和工艺性能。认为未来风电叶片泡沫芯材的发展方向会朝着高性能和可回收具有环境友好性的方向发展。
关键词：泡沫；芯材；风电叶片；夹层结构

　　玻璃钢／复合材料(FRP／CM)中常用的泡沫芯材有聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PUR)、丙烯腈―苯乙烯(SAN)、聚醚酰亚胺(PEI)及聚甲基丙烯酰亚胺PMI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等泡沫。风力发电叶片为大型结构件在壳体蒙皮和内部的剪切腹板中都使用到泡沫作为玻璃钢夹层结构的芯层，泡沫在叶片中主要作用是在保证其稳定性的同时降低叶片质量，使叶片在满足刚度的同时增大捕风面积。从泡沫的力学性能和价格等因素考虑，目前被用于风力发电叶片芯材的泡沫主要有聚氯乙烯泡沫、丙烯腈―苯乙烯泡沫、聚对苯二甲酸乙二醇酯泡沫和聚苯乙烯泡沫等，其中氯乙烯泡沫使
用为广泛。

1　泡沫芯材在叶片的应用状况

　　种用在承载构件夹层结构中的结构泡沫芯材是使用异氰酸酯改性的PVC泡沫，或称交联PVC，此泡沫属于热固性泡沫。交联PVC的生产工艺是由德国人林德曼在2O世纪30年代后期发明的。从20世纪70年代以后，多数原来的欧洲许可生产厂家也已停产。目前主要的生产厂家是戴铂(Diab)公司的Divinycell和Klegecell系列PVC泡沫及艾瑞柯斯(Airex)公司的Herex系列PVC泡沫和固瑞特(Gurit)公司PVCell系列PVC泡沫。目前国内天晟公司也具备生产PVC泡沫的能力，其Strucell系列泡沫性能能够满足叶片设计的要求。Aerodyn公司设计的多种型号的叶片均采用PVC泡沫作为叶片芯材，在国内的很多叶片公司采用Aerodyn技术的均使用PVC作为叶片芯材。同时PVC泡沫以其优良的力学性能也被广泛用在其他设计公司设计的叶片中充当夹心材料。
　　1993年，加拿大的ATC公司开始生产SAN泡沫，此公司后被固瑞特公司收购，此泡沫属于热固性泡沫。SAN泡沫是先制作精胚，然后将胚体放入发泡炉中通过对温度、时间等工艺参数的控制来获取不同密度的泡沫。其中Corecell T400型号的泡沫密度和本体力学性能与密度为60 kg／m³的PVC泡沫十分接近，且具有较好的耐热性。TPI叶片公司一直在使用此泡沫作为叶片的芯材，由于其具有更好的热稳定性，目前国内已经有部分叶片公司开始用SAN泡沫替代PVC泡沫作为叶片芯材。
　　英国于1943年先制成聚苯乙烯泡沫属于热塑性泡沫，1944年美国陶氏化学有限公司用挤出法大批量地生产聚苯乙烯泡沫，大挤出宽度可以达到600 mm，挤出厚度可达到100 mm。目前陶氏公司针对叶片芯材主要有COMPAXX 700-X和COMPAXX 900-X两款型号的泡沫，其中COMPAXX 700-X在苏司兰、中科宇能和重庆通用等叶片公司开始使用，主要用作叶片的剪切腹板的夹芯泡沫。
　　PET泡沫是近几年才开始研制生产的泡沫，属于热塑性泡沫，生产工艺为挤出发泡，但与PS泡沫不同的是其挤出的宽度有限，所以挤出后要通过热熔粘接将其拼接成较大的泡沫体以方便使用。目前能够批量生产PET泡沫的主要有戴铂公司、艾瑞克斯和固瑞特等公司，各家生产泡沫的密度不同，但密度基本在100 kg／m³以上。由于具有较好的耐热性可以用作预浸料成型的叶片中，目前维斯塔斯(Vestas)叶片公司在采用PET泡沫用预浸料工艺进行叶片生产。同时艾尔姆(LM)和西门子(SIEMENS)叶片公司也在对此材料进行试用。
1.1　泡沫芯材的力学性能
　　泡沫在叶片中主要是提高叶片刚度，增加稳定性并且减轻叶片质量的作用。泡沫的本体力学性能会影响到夹层结构的力学性能，同时泡沫密度不同对叶片的质量分布也会产生影响，进而也会影响到叶片的载荷分布。为了说明每种泡沫的力学性能，对目前风电叶片普遍使用的4种泡沫进行测试，泡沫测试的型号和密度见表1。

　　叶片中使用的4种泡沫的基本力学性能见图1、2，压缩性能按照标准ASTM D1621-04a测试，剪切性能按照标准ASTM C273-00测试。

　　图1、2说明风电叶片常用的4种泡沫基本力学性能，从测试的结果看，密度较大的PET泡沫强度和模量均高于其他兰种泡沫，而PS泡沫由于密度较低在力学性能上也低于其他三种泡沫，PVC泡沫和SAN泡沫的性能居中。泡沫的使用主要通过叶片的结构设计来实现，通过对叶片结构的优化设计每种泡沫都可以很好地作为叶片的芯材。
1.2　泡沫芯材的加工及使用
　　对于芯材，除了压缩、剪切的模量和强度以外，还需考虑泡沫的加工和在叶片中使用的工艺性能。PVC泡沫和SAN泡沫属于热固性材料，芯材加工可以使用机械加工工具打磨、切割、钻孔等，包括带锯、车削、穿孔、打磨和仿形。PET泡沫虽然是热固性材料但较高耐热温度也使得具有较好的加工性。Ps属于热塑性材料其耐热温度在100℃左右，在切割过程中，因为材料的导热系数低，加工时泡沫的给进速度应快慢合适，否则加工时泡沫因摩擦会使材料发热，可能导致泡沫发生融化而影响其尺寸的稳定性。
　　泡沫不同的耐热性对叶片制作的固化工艺提出了条件。SAN泡沫和PET泡沫具有较好的耐热性，其耐热温度可以在110℃时，泡沫本体的力学性能基本不会下降，同时也有良好的尺寸稳定性，这两种泡沫也被用在预浸料工 成型的叶片中，由于预浸料成型的叶片固化温度要在100℃以上，耐热性较差的泡沫无法满足其工艺要求。在真空灌注工艺生产的叶片中也需要泡沫具有较好的耐热性，因为在叶片固化时局部区域因为放热过快也会产生很高的温度，有时也会接近或超过100℃。PVC泡沫和PS泡沫耐热性较差，在超过90℃时两种泡沫不但力学性能会出现下降，同时会出现泡沫变形，所以在真空灌注工艺成型的叶片中，需要更严格地监控固化温度保证泡沫性能的稳定性，在真空灌注成型的叶片中一般控制固化温度在80℃左右，这样就可以使用PVC泡沫和PS泡沫。另外，PS泡沫也可以使用在手糊工艺生产的叶片中，这样成型的叶片在预固化时温度不会太高，然后通过后固化将叶片固化成型，由于后固化树脂放热量非常低这样就可以满足PS泡沫的使用性能。
1.3　泡沫对树脂吸收量

　　本文介绍的4种泡沫均为闭孔发泡，当泡沫芯材应用在叶片壳体中，表面层由于使用时厚度要求不同需要加工切削，致使面层泡孔破坏产生开孔，在实际应用中树脂通过填充泡沫表层的泡孔来达到与玻璃钢的结合。由于每种泡沫的孔径不同，所以对树脂的吸收量也会产生影响。通过测试单位面积泡沫对树脂的吸收量可以判断表层泡孔的大小，测试结果如表2。
　　虽然几种泡沫均是闭孔发泡材料，由于几种泡沫的孔径不同，单位面积的泡沫对树脂的吸收量会存在差异。结果显示，PVC和PET两种泡沫对树脂吸收量较大。如图3所示，通过对这几种泡沫的扫描电子显微镜(SEM)观察(由Dow公司提供)，SAN泡沫、PVC泡沫和PET泡沫的孔径明显大于PS泡沫的孔径，这正对应这几种泡沫的树脂吸收量中Ps泡沫对树脂吸收量小，SAN泡沫的孔径较大，但泡孔大小均匀且孔洞较浅有利于降低树脂的吸收量，相比较下PET泡沫和PVC泡沫泡孔较深，造成树脂吸收量偏大。

2　展　望

　　泡沫作为叶片芯材不可缺少的一部分，根据叶片设计的要求和生产工艺的考虑每种芯材都具有各自的优缺点。以PVC为代表的热固性泡沫，由于无法降解和回收对环境和资源都存在影响，随着未来低碳经济的发展，热塑性泡沫将会越来越得到重视和发展。随着泡沫在大型结构件中大量应用，今后还会有其他种类的泡沫作为结构泡沫使用在风电叶片中。未来风电叶片设计对泡沫的要求一定是具有良好的力学性能、较宽泛的工艺适用性和环境友好性，同时叶片厂商对泡沫价格的关注也是其以后泡沫发展的一个重点。