风电叶片用夹芯材料的现状和发展趋势
1 风能概况和夹芯材料发展趋势
据风能协会的统计，到2008年底，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。处于地位的是美国和市场，美国新增装机容量8.4GW，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，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，届时会达到该年度新增风电装机总量的三分之一甚至更多。从范围来说，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硬质泡沫、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。若想降低夹芯材料的成本，可能的方案有两个：优化夹层结构部位的设计和选用新型性价比更高的夹芯材料。
2 夹芯材料的种类和性能特点
目前，用于复合材料夹层结构的夹芯材料主要有：硬质泡沫、蜂窝和轻木三类。
2.1 硬质泡沫
硬质泡沫主要有聚氯已烯(PVC)、聚氨酯(PU)、聚醚酰亚胺(PEI)、和丙烯腈一苯乙烯(SAN或AS)、聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)、聚乙烯(PET)等。
(1)PVC泡沫
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世中，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。
摘 要：本文简要回顾了风能2008年的装机情况和今后各国风能的发展趋势，对常用复合材料夹层结构用夹芯材料的类别和性能特点进行了总结，介绍了风电叶片用夹芯材料的现状，后。对于风电叶片用夹芯材料的发展趋势提出了自己看法。
1 风能概况和夹芯材料发展趋势
据风能协会的统计，到2008年底，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。处于地位的是美国和市场，美国新增装机容量8.4GW，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，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，届时会达到该年度新增风电装机总量的三分之一甚至更多。从范围来说，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硬质泡沫、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。若想降低夹芯材料的成本，可能的方案有两个：优化夹层结构部位的设计和选用新型性价比更高的夹芯材料。
2 夹芯材料的种类和性能特点
目前，用于复合材料夹层结构的夹芯材料主要有：硬质泡沫、蜂窝和轻木三类。
2.1 硬质泡沫
硬质泡沫主要有聚氯已烯(PVC)、聚氨酯(PU)、聚醚酰亚胺(PEI)、和丙烯腈一苯乙烯(SAN或AS)、聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)、聚乙烯(PET)等。
(1)PVC泡沫
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世中，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。
(2)PU泡沫
PU泡沫力学性能表现一般，但发泡成型和机械加工简单，市场供应量充足，价格便宜。所以可用在荷载较小情况下的夹层层板中， 或用于构件的加强筋或加劲肋。
(3)PEI泡沫
PEI泡沫具有很高的使用温度和良好的防火性能，尽管价位相对较高，但是这种泡沫可以在有结构要求，高温情况下，具有防火要求的部件使用。其使用温度在-194度~+180度之间。由于能满足严格的防火阻燃要求，适合在冰机和列车内使用，如Airex的R82系列。
(4)SAN泡沫
SAN泡沫的性能和线性PVC泡沫相似，具有良好的延伸率和韧性，适合用于抗冲击要求高的部位。SAN泡沫能够热成形，可以方便的构筑结构的曲面。热稳定型的SAN泡沫也能和低温固化预浸料共同使用，常见的SAN泡沫产品的是Gurit公司的CoreCell系列泡沫。
(5)PMI泡沫
PMI泡沫的相对强度和刚度比前面提到泡沫高，能够适用高温固化的树脂和预浸料。PMI泡沫在适当的高温处理以后，能承受190度的固化工艺对泡沫的尺寸稳定性的要求，在航空领域中得到了广泛的应用。市场上的PMI泡沫主要是德国德固赛公司生产的ROHACLL系列泡沫。
(6)PET泡沫
PET泡沫的综合力学性能不及PVC泡沫，但比PVC更环保，生产过程不会产生温室气体，且成本低于PVC泡沫。Airex公司于2005年个向市场推出了PET结构夹芯材料，有T90和T91两个系列产品，T90具有突出的FST(阻燃、低烟、无毒)性能，T91耐高温性能好，能承受140度的成型温度。
2.2 蜂窝
蜂窝夹芯材料有玻璃布蜂窝、NOMEX蜂窝、棉布蜂窝、铝蜂窝等。峰窝夹层结构的强度高，刚性好，但蜂窝为开孔结构，与上下面板的粘接面积小，粘接效果一般没有泡沫好。
2.3 轻木
轻木芯芯材料是一种天然产品，市场常见的轻木夹芯为Baltek公司的SB系列balsa木。balsa木主要产自南美洲的种植园，由于气侯原因，balsa木在当地生长速特别快，所以比普通木材轻很多，且其纤维具有良好的强度和韧性，特别适合用于复合材料夹层结构。
3 夹芯材料在风电叶片上的应用
夹芯材料是风电叶片的关键材料之一，为增加结构刚度，防止局部失稳，提高整个叶片的抗载荷能力，在叶片的前缘、后缘以及剪切勒等部位，一般都会采用夹层结构，如下图所示。
目前，用于风电叶片的主流夹芯材料为交联PVC泡沫和balsa轻木。典型的设计方案是，把强度较高的balsa木(密度为150kg/m3)用于承受载荷较大的靠近叶根的部位，交联PVC泡沫(密度为60kg/m3)用于承载较小的靠近叶尖的部位，从叶根向叶尖方向，夹芯材料的厚度逐渐减小。也有个别叶片厂家只使用balsa木或PVC泡沫。
3.1 叶片用PVC泡沫
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。
3.2 叶片的用Balsa轻木
Balsa轻木本身是一种类似微孔的蜂窝结构，用于叶片的一般会在轻木两个表面专用处理剂涂刷封孔，防止树脂渗放轻木内部。Balsa轻木夹芯在生产和使用等各个环节中要特别注意防潮，在储存和运输过程中应始终保持密闭包装，好在使用时现场拆包，否则容易吸水，导致重量上升，影响树脂的固化以及夹芯材料和面板的粘接。轻木夹芯一般都是通过机械处理使其由刚性轻木板变成可以铺放在曲面上的柔性板。
Balsa轻木的强度重量比远高于同等密度的泡沫夹芯材料，但市场上轻木夹芯材料的密度一般都在90kg/m3以上，所以多用于载荷较大的靠近叶根部分。
3.3 叶片用夹芯材料的发展趋势
叶片夹芯材料的发展趋势应该是提高性价比、促进环保。例如PET泡沫，其力学性能比PVC泡洒沫差，但它可循环使用，生产过程不会产生温室气体，价格比PVC泡沫低。通过增加夹层结构夹芯材料的厚度来弥补性能稍差的弱点，通过合量的计算分析，可以取寻得重量、成本和性能的佳结合点。若能通过改进配方或生产工艺来提高现有PET泡沫的力学性能，将更能显示出其在风电叶片上的应用优势。
另外，天然产品balsa轻木是一种可再生的自然资源，且力学性能极佳，若能开发出更低密度的轻木产品，其在风电叶片上的应用将有更大作为。
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据风能协会的统计，到2008年底，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。处于地位的是美国和市场，美国新增装机容量8.4GW，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，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，届时会达到该年度新增风电装机总量的三分之一甚至更多。从范围来说，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硬质泡沫、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。若想降低夹芯材料的成本，可能的方案有两个：优化夹层结构部位的设计和选用新型性价比更高的夹芯材料。
2 夹芯材料的种类和性能特点
目前，用于复合材料夹层结构的夹芯材料主要有：硬质泡沫、蜂窝和轻木三类。
2.1 硬质泡沫
硬质泡沫主要有聚氯已烯(PVC)、聚氨酯(PU)、聚醚酰亚胺(PEI)、和丙烯腈一苯乙烯(SAN或AS)、聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)、聚乙烯(PET)等。
(1)PVC泡沫
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世中，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。
摘 要：本文简要回顾了风能2008年的装机情况和今后各国风能的发展趋势，对常用复合材料夹层结构用夹芯材料的类别和性能特点进行了总结，介绍了风电叶片用夹芯材料的现状，后。对于风电叶片用夹芯材料的发展趋势提出了自己看法。
1 风能概况和夹芯材料发展趋势
据风能协会的统计，到2008年底，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。处于地位的是美国和市场，美国新增装机容量8.4GW，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，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，届时会达到该年度新增风电装机总量的三分之一甚至更多。从范围来说，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硬质泡沫、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。若想降低夹芯材料的成本，可能的方案有两个：优化夹层结构部位的设计和选用新型性价比更高的夹芯材料。
2 夹芯材料的种类和性能特点
目前，用于复合材料夹层结构的夹芯材料主要有：硬质泡沫、蜂窝和轻木三类。
2.1 硬质泡沫
硬质泡沫主要有聚氯已烯(PVC)、聚氨酯(PU)、聚醚酰亚胺(PEI)、和丙烯腈一苯乙烯(SAN或AS)、聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)、聚乙烯(PET)等。
(1)PVC泡沫
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世中，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。
(2)PU泡沫
PU泡沫力学性能表现一般，但发泡成型和机械加工简单，市场供应量充足，价格便宜。所以可用在荷载较小情况下的夹层层板中， 或用于构件的加强筋或加劲肋。
(3)PEI泡沫
PEI泡沫具有很高的使用温度和良好的防火性能，尽管价位相对较高，但是这种泡沫可以在有结构要求，高温情况下，具有防火要求的部件使用。其使用温度在-194度~+180度之间。由于能满足严格的防火阻燃要求，适合在冰机和列车内使用，如Airex的R82系列。
(4)SAN泡沫
SAN泡沫的性能和线性PVC泡沫相似，具有良好的延伸率和韧性，适合用于抗冲击要求高的部位。SAN泡沫能够热成形，可以方便的构筑结构的曲面。热稳定型的SAN泡沫也能和低温固化预浸料共同使用，常见的SAN泡沫产品的是Gurit公司的CoreCell系列泡沫。
(5)PMI泡沫
PMI泡沫的相对强度和刚度比前面提到泡沫高，能够适用高温固化的树脂和预浸料。PMI泡沫在适当的高温处理以后，能承受190度的固化工艺对泡沫的尺寸稳定性的要求，在航空领域中得到了广泛的应用。市场上的PMI泡沫主要是德国德固赛公司生产的ROHACLL系列泡沫。
(6)PET泡沫
PET泡沫的综合力学性能不及PVC泡沫，但比PVC更环保，生产过程不会产生温室气体，且成本低于PVC泡沫。Airex公司于2005年个向市场推出了PET结构夹芯材料，有T90和T91两个系列产品，T90具有突出的FST(阻燃、低烟、无毒)性能，T91耐高温性能好，能承受140度的成型温度。
2.2 蜂窝
蜂窝夹芯材料有玻璃布蜂窝、NOMEX蜂窝、棉布蜂窝、铝蜂窝等。峰窝夹层结构的强度高，刚性好，但蜂窝为开孔结构，与上下面板的粘接面积小，粘接效果一般没有泡沫好。
2.3 轻木
轻木芯芯材料是一种天然产品，市场常见的轻木夹芯为Baltek公司的SB系列balsa木。balsa木主要产自南美洲的种植园，由于气侯原因，balsa木在当地生长速特别快，所以比普通木材轻很多，且其纤维具有良好的强度和韧性，特别适合用于复合材料夹层结构。
3 夹芯材料在风电叶片上的应用
夹芯材料是风电叶片的关键材料之一，为增加结构刚度，防止局部失稳，提高整个叶片的抗载荷能力，在叶片的前缘、后缘以及剪切勒等部位，一般都会采用夹层结构，如下图所示。
目前，用于风电叶片的主流夹芯材料为交联PVC泡沫和balsa轻木。典型的设计方案是，把强度较高的balsa木(密度为150kg/m3)用于承受载荷较大的靠近叶根的部位，交联PVC泡沫(密度为60kg/m3)用于承载较小的靠近叶尖的部位，从叶根向叶尖方向，夹芯材料的厚度逐渐减小。也有个别叶片厂家只使用balsa木或PVC泡沫。
3.1 叶片用PVC泡沫
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。
3.2 叶片的用Balsa轻木
Balsa轻木本身是一种类似微孔的蜂窝结构，用于叶片的一般会在轻木两个表面专用处理剂涂刷封孔，防止树脂渗放轻木内部。Balsa轻木夹芯在生产和使用等各个环节中要特别注意防潮，在储存和运输过程中应始终保持密闭包装，好在使用时现场拆包，否则容易吸水，导致重量上升，影响树脂的固化以及夹芯材料和面板的粘接。轻木夹芯一般都是通过机械处理使其由刚性轻木板变成可以铺放在曲面上的柔性板。
Balsa轻木的强度重量比远高于同等密度的泡沫夹芯材料，但市场上轻木夹芯材料的密度一般都在90kg/m3以上，所以多用于载荷较大的靠近叶根部分。
3.3 叶片用夹芯材料的发展趋势
叶片夹芯材料的发展趋势应该是提高性价比、促进环保。例如PET泡沫，其力学性能比PVC泡洒沫差，但它可循环使用，生产过程不会产生温室气体，价格比PVC泡沫低。通过增加夹层结构夹芯材料的厚度来弥补性能稍差的弱点，通过合量的计算分析，可以取寻得重量、成本和性能的佳结合点。若能通过改进配方或生产工艺来提高现有PET泡沫的力学性能，将更能显示出其在风电叶片上的应用优势。
另外，天然产品balsa轻木是一种可再生的自然资源，且力学性能极佳，若能开发出更低密度的轻木产品，其在风电叶片上的应用将有更大作为。
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