先进复合材料的维修日益复杂

Alex Derbor

由于先进复合材料具有重量更轻、耐腐蚀、更好的抗疲劳性等特点，目前越来越多地广泛应用于商用飞机。但是在维修过程中需要新设备和新技能，导致了复合材料结构的维修成本有所增加、维修工艺更加复杂.这对于航空公司和维修企业来说可谓是喜忧参半。

碳纤维在商用飞机制造领域的应用有着悠久的历史，但其首次大规模应用是在波音787飞机上，该型飞机50%的机体部分采用了复合材料。随后空客公司也认识到了这一材料优势，在空客A350飞机的大部分机翼和机体上也使用了复合材料。放眼未来，各型在研飞机以及现有型号的升级型都十分依赖碳纤维材料。

与金属材料相比，复合材料有多方面优点：重量更轻、耐腐蚀以及更好的抗疲劳性。但美中不足的是其修复性不及金属材料，所以维修企业在迎接新一代飞机修理时均需购买复合材料修理新工具、掌握复合材料专业技能和维修流程。

新加坡科技工程公司（sTEngineering Aerospace）指出，在波音787和空客A350启动之前，公司主要为飞机整流罩和其他二级结构的复合材料湿铺层提供修理服务。但由于现在波音787和空客A350的机体和机翼都使用了复合材料，所以新加坡科技工程公司不得不与时俱进，不仅拓展了这些机型的复合材料维修能力，而且还增加了对其复合材料进行改装的能力。

尽管近年来复合材料的检修技术得到了快速发展，但各类修理企业仍未像掌握铝材等常见航空金属材料那样成熟的修理能力。因此，复合材料在获得更好耐久性、更少维修次数等“让人欢喜”的先进性能的同时，也不可避免地出现了更高的维修成本、更复杂的维修工艺等“让人忧”的特点。

在过去20年中，AAR将其复合材料修理能力增强了5倍。该公司预计，随着更多新型飞机的投入运营，复合材料维修市场将进一步增长。当然，复合材料和金属维修需要不同的技能和工具，但该公司并不承认碳纤维本质上更难维修，只是因为新材料推动了修理技能的转变以及使零部件的更换频率更高。旧型飞机采用金属零件制造，维修也非常耗费人力，且部件更换成本也非常高。除了为传统的金属加工能力增加新的工程能力之外，维修企业必须要跟上新一代复合材料的修理，特别是碳纤维增强型复合材料（CFRP）的修理。CFRP比20年前的复合材料更耐用，但也更难维修，包括采用双抽真空等修复程序，这些程序可使其在固化之前降低层压板层问的孔隙率，从而使CFRP硬化。

新加坡科技工程公司认为，新材料的固化周期非常关键，包括对周围结构的热测量等，因此新材料的修理程序要求维修期间必须做好热量管理。同时，新型复合材料的储存也需要严格的环境控制且保质期更短。所以新型复合材料的存储成本也更高，这些要求对于早期的复合材料是没有的。

英国制造商GKN指出，随着新的碳纤维复合材料被用于飞机的不同部分，其库存成本也将逐渐上升，这要求维修企业具备存储和维修多样化的能力。与早期材料相比，目前的复合材料在设计、纤维、树脂和生产工艺方面表现出了更多变化，这对维修活动产生了很大影响。

检查

在维修或更换复合材料部件之前，工程師必须评估其损伤情况。以发动机短舱为例，它是探索碳纤维热量和重量优势的首批飞机结构之一，目前可采用多种方法对其检查，包括敲击测试、热成像、超声检测、内窥镜检测、x射线照相和蚀刻以及渗透检测等。其中，一些检测方法同时适用于金属和碳纤维，但是碳纤维检查需要完全能力，其无损检测（NDT）比金属结构需要的投资更多。例如，检查CFRP中出现的分层或纤维不规则性时需要专门的设备，而检查更简单的材料时仅需要目视检查即可。

复合材料修理所需的专用设备和相关培训通常需耗资数十万美元，而普通的超声设备仅需几万美元。新加坡科技工程公司表示，复合材料检测技术仍然属于新技术，所以与金属材料相比，其修复工具和材料的价格要高得多。

一系列新的无损检测设备有望加快检查速度、减少错误并增加移动性。例如，用于检查分层等问题的手持式c扫描仪，以及手持式热成像相机和3D激光扫描仪，其中一些检测设备在用于飞机之前还需要取得适航管理机构和OEM的许可。一旦通过认可，这些设备便可有助于缩短维修周期，以及使检测过程更加自动化。

此外，AAR指出，未来的一些新技术包括自动化设备，将可通过与一些历史检测文件对比，扫描和检测出复合材料的缺陷或损伤，但今天这些工作的大部分仍然需要手工完成。

空客公司开发了一种机械臂，可使用超声波激光检测复合材料表层下缺陷。与传统的超声设备不同的是，激光超声复合检测设备（LUCIE）可在不与材料接触的情况下完成扫描。结合铰接式机器人手臂，这使得该设备非常适合检测具有复杂几何形状的大型复合材料零件，而这些零部件在新一代飞机上却是越来越常见。

维修

由于波音787和空客A350分别于2011年和2015年投入使用，因此这些机型的复合材料修理高峰将在未来几年后才会出现。尽管如此，但复合材料机身也会遭受许多像金属机身类似的损伤，如地面设备碰撞、鸟击、冰雹和雷击等，仍需执行有一些小型维修工作。此外，潮湿和过热也是某些复合结构特有的损伤风险源。

通常如果损伤较小，可以推迟到下一次定检时予以维护，但维修企业和航空公司的技术部门仍需提供外场维修。而对于如材料侵蚀等非常轻微的损伤，可以利用一种相对简单的湿敷方法，将树脂刷在受影响的区域处并使其在环境温度下固化。

复合材料修理通常是通过切除损伤部分，并用螺接或粘接在贴片上进行固定。但是对于主要结构部件，粘接修理是不可取的，除非修复面积很小且即使贴片脱粘也不会影响结构功能。但大多数工程师都喜欢粘接修理，因为螺栓更重，修理后会增加额外重量，而且需要钻孔，易降低复合材料残余结构的强度。

复合材料维修的一大关键进步是在翼工作，即在不拆除部件的情况下进行维修。这一修理方式现变得越来越重要，因为如机翼和机体等较大的结构部件通常无法被拆除进行维修。

在翼修理方面，汉莎技术公司（LHT）开发了一种名为CAIRE的自动化嵌接系统。在切掉一块损伤的碳纤维后，将其打磨成锥形为钻孔边缘做好嵌接准备。具体打磨锥度取决于被修复结构的载荷。LHT的移动机器人可以在1平方米（10平方英尺）的CFRP上进行在翼、高精度的嵌接。

LHT认为，使用该设备可以实现更快速的维修，且修理质量高、可重复操作。CAIRE正在LHT汉堡工厂进行工业化，预计将于2019年第三季度投入运营。CAIRE包含了多种高度自动化的工艺技术，适用于反推装置、机体和机翼等复合材料结构的修理，与采用传统维修方式相比，维修时间能够缩短60%。首先，它对损坏的复合材料部件进行条形光投影扫描，通过计算机可以直接操控机器人铣床。其次，创建复合材料层的预切割，并借助预切割层创建的单层材料修复部件。切割的面板与主结构粘接，然后根据需要使用先前扫描的数据和计算机计算结果通过快速原型制作生成的模具进行固化。

空客公司也开发了类似的机器人修复喷枪，通过将水与磨料混合（代替激光），可喷射去除达500平方厘米的受损材料，然后利用新的碳纤维进行修补。更换后的复合材料可在现场（如在机场或维修中心）完成固化，无需传统复合材料制造过程中所使用的大型热压罐。该工艺的另一个创新之处在于开发了一个充气式的洁净室，通过控制温度、粉尘浓度和湿度，能够实现与飞机制造厂相似的环境条件，以便能够用于那些需要在洁净且干燥条件下开展的维修工作。修复喷枪是一种新的工具。它具有可重复作业和控制碳粉等优点，适用于飞机上难以操作的位置，如需要倒挂工作的地方。

总的来说，自动化流程是未来复合材料售后市场不可或缺的一部分，因为检查和维修的标准程序变得更加严格，如仍需人工完成则维修时间上是不允许的。

健康监测

广泛应用于飞机发动机的预测性维护技术，现正在向其他飞机结构扩展。当前许多机构都在探索和开发更加自动化的修复流程和扫描方法。例如，将传感器嵌入结构中并进行大面积扫描，以加快维修速度。放眼未来，这也是复合材料修理的趋势之一。集成了传感器的“智能”碳纤维便可具备自检功能，尽管目前还尚未在商用飞机上使用，但相信OEM会很快采用，非常值得期待。

AAR指出，微电子机械传感器（MEMS）的一些进步已经产生了将应变计嵌入复合材料中主动检测缺陷所需的技术类型。这些技术有望在未来5年内投入使用。

另外，声学和超声波扫描等检测方法也可以用于复合材料的缺陷探测，但它们几乎不能提供有关振动、温度和冲击等操作载荷的信息。因此，通常无法预测可能发生裂缝和其他缺陷的位置。

十多年前，FAA研究人员利用粘合剂薄膜传感器研究了复合材料的应力评估。在测试中，将共振传感器粘合到初现裂纹的复合材料面板上，评估裂纹损伤的进展。然而，更好的方法是在材料中嵌入传感器。由莫斯科国立科技大学（NUST MISIS）复合材料中心提出使用直径仅为10～60微米的软磁导线，铺在复合材料各层之间的网格中测量碳纤维中的应力。微导线附近的应力可反映其对外部磁场的影响。NUST MISIS科学家表示，他们可以在不影响材料结构特性的情况下嵌入微导线，而且现在开始开发一种外场型。如果可行的話，下一步的计划是开发能够将传感器结果传输至飞机健康监测系统的一种系统。

GKN认为，在飞机结构中安装传感器可以更好地了解飞行过程中对结构存在风险的事件。如果将飞行期间收集的数据与原始设计数据进行对比，复合材料的检查方式将会变得简单一些。

总的来说，上述这些复合材料新测试技术和维修设备都在一步步走向成熟、走向市场，相信很快便会使航空公司受益。