先進復合材料的維修日益復雜

Alex Derbor

由于先進復合材料具有重量更輕、耐腐蝕、更好的抗疲勞性等特點，目前越來越多地廣泛應用于商用飛機。但是在維修過程中需要新設備和新技能，導致了復合材料結構的維修成本有所增加、維修工藝更加復雜.這對于航空公司和維修企業來說可謂是喜憂參半。

碳纖維在商用飛機制造領域的應用有著悠久的歷史，但其首次大規模應用是在波音787飛機上，該型飛機50%的機體部分采用了復合材料。隨后空客公司也認識到了這一材料優勢，在空客A350飛機的大部分機翼和機體上也使用了復合材料。放眼未來，各型在研飛機以及現有型號的升級型都十分依賴碳纖維材料。

與金屬材料相比，復合材料有多方面優點：重量更輕、耐腐蝕以及更好的抗疲勞性。但美中不足的是其修復性不及金屬材料，所以維修企業在迎接新一代飛機修理時均需購買復合材料修理新工具、掌握復合材料專業技能和維修流程。

新加坡科技工程公司（sTEngineering Aerospace）指出，在波音787和空客A350啟動之前，公司主要為飛機整流罩和其他二級結構的復合材料濕鋪層提供修理服務。但由于現在波音787和空客A350的機體和機翼都使用了復合材料，所以新加坡科技工程公司不得不與時俱進，不僅拓展了這些機型的復合材料維修能力，而且還增加了對其復合材料進行改裝的能力。

盡管近年來復合材料的檢修技術得到了快速發展，但各類修理企業仍未像掌握鋁材等常見航空金屬材料那樣成熟的修理能力。因此，復合材料在獲得更好耐久性、更少維修次數等“讓人歡喜”的先進性能的同時，也不可避免地出現了更高的維修成本、更復雜的維修工藝等“讓人憂”的特點。

在過去20年中，AAR將其復合材料修理能力增強了5倍。該公司預計，隨著更多新型飛機的投入運營，復合材料維修市場將進一步增長。當然，復合材料和金屬維修需要不同的技能和工具，但該公司并不承認碳纖維本質上更難維修，只是因為新材料推動了修理技能的轉變以及使零部件的更換頻率更高。舊型飛機采用金屬零件制造，維修也非常耗費人力，且部件更換成本也非常高。除了為傳統的金屬加工能力增加新的工程能力之外，維修企業必須要跟上新一代復合材料的修理，特別是碳纖維增強型復合材料（CFRP）的修理。CFRP比20年前的復合材料更耐用，但也更難維修，包括采用雙抽真空等修復程序，這些程序可使其在固化之前降低層壓板層問的孔隙率，從而使CFRP硬化。

新加坡科技工程公司認為，新材料的固化周期非常關鍵，包括對周圍結構的熱測量等，因此新材料的修理程序要求維修期間必須做好熱量管理。同時，新型復合材料的儲存也需要嚴格的環境控制且保質期更短。所以新型復合材料的存儲成本也更高，這些要求對于早期的復合材料是沒有的。

英國制造商GKN指出，隨著新的碳纖維復合材料被用于飛機的不同部分，其庫存成本也將逐漸上升，這要求維修企業具備存儲和維修多樣化的能力。與早期材料相比，目前的復合材料在設計、纖維、樹脂和生產工藝方面表現出了更多變化，這對維修活動產生了很大影響。

檢查

在維修或更換復合材料部件之前，工程師必須評估其損傷情況。以發動機短艙為例，它是探索碳纖維熱量和重量優勢的首批飛機結構之一，目前可采用多種方法對其檢查，包括敲擊測試、熱成像、超聲檢測、內窺鏡檢測、x射線照相和蝕刻以及滲透檢測等。其中，一些檢測方法同時適用于金屬和碳纖維，但是碳纖維檢查需要完全能力，其無損檢測（NDT）比金屬結構需要的投資更多。例如，檢查CFRP中出現的分層或纖維不規則性時需要專門的設備，而檢查更簡單的材料時僅需要目視檢查即可。

復合材料修理所需的專用設備和相關培訓通常需耗資數十萬美元，而普通的超聲設備僅需幾萬美元。新加坡科技工程公司表示，復合材料檢測技術仍然屬于新技術，所以與金屬材料相比，其修復工具和材料的價格要高得多。

一系列新的無損檢測設備有望加快檢查速度、減少錯誤并增加移動性。例如，用于檢查分層等問題的手持式c掃描儀，以及手持式熱成像相機和3D激光掃描儀，其中一些檢測設備在用于飛機之前還需要取得適航管理機構和OEM的許可。一旦通過認可，這些設備便可有助于縮短維修周期，以及使檢測過程更加自動化。

此外，AAR指出，未來的一些新技術包括自動化設備，將可通過與一些歷史檢測文件對比，掃描和檢測出復合材料的缺陷或損傷，但今天這些工作的大部分仍然需要手工完成。

空客公司開發了一種機械臂，可使用超聲波激光檢測復合材料表層下缺陷。與傳統的超聲設備不同的是，激光超聲復合檢測設備（LUCIE）可在不與材料接觸的情況下完成掃描。結合鉸接式機器人手臂，這使得該設備非常適合檢測具有復雜幾何形狀的大型復合材料零件，而這些零部件在新一代飛機上卻是越來越常見。

維修

由于波音787和空客A350分別于2011年和2015年投入使用，因此這些機型的復合材料修理高峰將在未來幾年后才會出現。盡管如此，但復合材料機身也會遭受許多像金屬機身類似的損傷，如地面設備碰撞、鳥擊、冰雹和雷擊等，仍需執行有一些小型維修工作。此外，潮濕和過熱也是某些復合結構特有的損傷風險源。

通常如果損傷較小，可以推遲到下一次定檢時予以維護，但維修企業和航空公司的技術部門仍需提供外場維修。而對于如材料侵蝕等非常輕微的損傷，可以利用一種相對簡單的濕敷方法，將樹脂刷在受影響的區域處并使其在環境溫度下固化。

復合材料修理通常是通過切除損傷部分，并用螺接或粘接在貼片上進行固定。但是對于主要結構部件，粘接修理是不可取的，除非修復面積很小且即使貼片脫粘也不會影響結構功能。但大多數工程師都喜歡粘接修理，因為螺栓更重，修理后會增加額外重量，而且需要鉆孔，易降低復合材料殘余結構的強度。

復合材料維修的一大關鍵進步是在翼工作，即在不拆除部件的情況下進行維修。這一修理方式現變得越來越重要，因為如機翼和機體等較大的結構部件通常無法被拆除進行維修。

在翼修理方面，漢莎技術公司（LHT）開發了一種名為CAIRE的自動化嵌接系統。在切掉一塊損傷的碳纖維后，將其打磨成錐形為鉆孔邊緣做好嵌接準備。具體打磨錐度取決于被修復結構的載荷。LHT的移動機器人可以在1平方米（10平方英尺）的CFRP上進行在翼、高精度的嵌接。

LHT認為，使用該設備可以實現更快速的維修，且修理質量高、可重復操作。CAIRE正在LHT漢堡工廠進行工業化，預計將于2019年第三季度投入運營。CAIRE包含了多種高度自動化的工藝技術，適用于反推裝置、機體和機翼等復合材料結構的修理，與采用傳統維修方式相比，維修時間能夠縮短60%。首先，它對損壞的復合材料部件進行條形光投影掃描，通過計算機可以直接操控機器人銑床。其次，創建復合材料層的預切割，并借助預切割層創建的單層材料修復部件。切割的面板與主結構粘接，然后根據需要使用先前掃描的數據和計算機計算結果通過快速原型制作生成的模具進行固化。

空客公司也開發了類似的機器人修復噴槍，通過將水與磨料混合（代替激光），可噴射去除達500平方厘米的受損材料，然后利用新的碳纖維進行修補。更換后的復合材料可在現場（如在機場或維修中心）完成固化，無需傳統復合材料制造過程中所使用的大型熱壓罐。該工藝的另一個創新之處在于開發了一個充氣式的潔凈室，通過控制溫度、粉塵濃度和濕度，能夠實現與飛機制造廠相似的環境條件，以便能夠用于那些需要在潔凈且干燥條件下開展的維修工作。修復噴槍是一種新的工具。它具有可重復作業和控制碳粉等優點，適用于飛機上難以操作的位置，如需要倒掛工作的地方。

總的來說，自動化流程是未來復合材料售后市場不可或缺的一部分，因為檢查和維修的標準程序變得更加嚴格，如仍需人工完成則維修時間上是不允許的。

健康監測

廣泛應用于飛機發動機的預測性維護技術，現正在向其他飛機結構擴展。當前許多機構都在探索和開發更加自動化的修復流程和掃描方法。例如，將傳感器嵌入結構中并進行大面積掃描，以加快維修速度。放眼未來，這也是復合材料修理的趨勢之一。集成了傳感器的“智能”碳纖維便可具備自檢功能，盡管目前還尚未在商用飛機上使用，但相信OEM會很快采用，非常值得期待。

AAR指出，微電子機械傳感器（MEMS）的一些進步已經產生了將應變計嵌入復合材料中主動檢測缺陷所需的技術類型。這些技術有望在未來5年內投入使用。

另外，聲學和超聲波掃描等檢測方法也可以用于復合材料的缺陷探測，但它們幾乎不能提供有關振動、溫度和沖擊等操作載荷的信息。因此，通常無法預測可能發生裂縫和其他缺陷的位置。

十多年前，FAA研究人員利用粘合劑薄膜傳感器研究了復合材料的應力評估。在測試中，將共振傳感器粘合到初現裂紋的復合材料面板上，評估裂紋損傷的進展。然而，更好的方法是在材料中嵌入傳感器。由莫斯科國立科技大學（NUST MISIS）復合材料中心提出使用直徑僅為10～60微米的軟磁導線，鋪在復合材料各層之間的網格中測量碳纖維中的應力。微導線附近的應力可反映其對外部磁場的影響。NUST MISIS科學家表示，他們可以在不影響材料結構特性的情況下嵌入微導線，而且現在開始開發一種外場型。如果可行的話，下一步的計劃是開發能夠將傳感器結果傳輸至飛機健康監測系統的一種系統。

GKN認為，在飛機結構中安裝傳感器可以更好地了解飛行過程中對結構存在風險的事件。如果將飛行期間收集的數據與原始設計數據進行對比，復合材料的檢查方式將會變得簡單一些。

總的來說，上述這些復合材料新測試技術和維修設備都在一步步走向成熟、走向市場，相信很快便會使航空公司受益。