夹心材料在复合材料产品中的应用不足为奇,三十多年以来,泡沫、巴沙木及蜂窝芯材已成了船舶外壳及甲板夹层结构中的主要材料。此外,夹心材料还在许多建筑、能源、基础设施及运输装置的零部件中得以应用。然而,在过去的五年内,夹心材料在风机叶片制造上的应用迅速增加,而且风机叶片制造行业也表示夹心材料在各种夹心结构中的应用会达到前所未有的状态。风能市场的扩张以及它所表现出来的影响力将改变芯材的制造及在其复合材料结构中的应用。为了满足风电行业的高强度,轻质量及低成本要求,作为回应,芯材制造商及装配商携手研发新型夹心材料。
西门子(Siemens AG)制造的风机叶片(图片来自德国西门子公司)
众所周知,夹心材料具有非凡的吸引力。不论是何种形状的芯材,它都具有低密度即低质量比的特点,而且其价格相对而言也很低。在夹层结构中,芯材两侧的对面为增强玻璃纤维或树脂表层。不论这些表层结构采用的是何种原材料,它们具有比其它任何结构都强,也就是最好的机械性能和硬度。而且,现有的芯材种类非常多,从巴沙木到泡沫再到蜂窝,因此夹心材料就可以提供广泛的材料密度,几何形状,加工工艺,价格及物理性能。
面临生产更长、更大、通常也更重、且可多年使用的叶片的重任,风机叶片制造商开始注重产品的质量。在一系列设计及制造风机的循环过程中,通过对所有可能用于制造风机叶片的芯材进行挑选,风机叶片制造商对一些特定的材料产生了偏爱,同时他们还倾向于那些能够供应可满足日益严格产品规格芯材的供应商。
在经济衰退到来之前,风电行业以高于国内生产总值增长率的速度连续五年保持稳定增长。风电行业的这些增长大部份发生在美国,从某种程度上讲,这是由能源市场上的价格的灵活性及政府刺激机制所激发的。
尽管,经济衰退减慢了风电行业的行动脚步,但是大部份预测表明,未来五年,风机叶片制造领域即使不能成为复合材料行业中最大的部门,也会位于最大部门之列。在2008年6月一次有关风机叶片用复合材料的报告中,Composite
Market Reports研究公司的副总裁Chris Red推测说,2017年,全球0.75兆瓦到2.5兆瓦以上风机用叶片的产量会达到14万组。
风电行业的发展促进了叶片制造业务的展开,2006年许多公司开始生产风机叶片。丹麦LM Wind Power公司(前LM Glasfiber公司),维斯塔斯集团(位于丹麦兰德斯),西门子(位于德国埃朗根),TPI Composites(位于美国斯科茨代尔),歌美飒(位于西班牙马德里)及其它一些风机制造商宣布在全球范围内大规模扩建工厂,用以生产风机、机舱罩及叶片。
风机叶片制造业这一爆炸性的增长给风电行业及复合材料行业带来了不可思议的影响。其中最为重要的是,随着风机安装数量不断增多,人们希望花费极少维护,就可以让风机在风中直立旋转长达25年之久。这就要求叶片在构造上必须达到日益增长的精度、重量及质量一致性的高标准。现在这些标准已贯穿整个风机制造行业,然而在十年前却非常少见。位于英国怀特岛的顾瑞特公司是一家树脂、夹心材料及模具供应商,该公司业务开发部的总裁Peter
George说:“风电行业已经从一个采用袜子—凉鞋—马尾辫方法的行业发展成了一个重要的以产品质量和一致性为中心的行业。”
就目前状况而言,风机叶片市场将成为复合材料行业中夹心材料的第一消耗者。随着风机叶片市场需求的不断增加,它对芯材技术的要求也会越来越高。
夹心材料的特征