复合材料修复难？那都不是事儿！

材料牛注：复合材料的广泛应用推动了飞机制造业的发展，但其修复是目前面临的一大难题。怎么解决？大牛们告诉你：这都不是事儿！

图1 斯图尔特工业与系统工程学院教授Chuck Zhang在达美航空维修厂检查复合材料部件。

当亚特兰大达美航空公司宣布计划从空客和庞巴迪公司大量购进飞机时，航空公司有关人员曾明确表示本次购买活动的重点是用更轻、更节省燃油的飞机来重建机队。

航空航天制造商在新一代客机制造中大量地使用复合材料。复合材料零部件在客机制造中应用已有几十年历史。时至今日，多达一半的飞机部件（包括主要结构，如机翼和机身等等）均可由复合材料制成。

对于航空公司来说，向复合材料的转变为人们创造了一个机会，使得人们重新思考维持喷气机最佳状态所需的修理和维护操作。虽然第一台达美航空的新型喷气机到2017年年底才会投入使用，但该公司已经在寻找维护和维修复合材料飞机部件更好的方法，复合材料部件的维修维护方法与已经维护了很多年的金属部件大不相同。

该航空公司正在与佐治亚理工学院（Georgia Tech）合作，密切关注当前用于修复复合材料零件的方法，并确定提高效率和降低成本的手段。

斯图尔特工业与系统工程学院（Stewart School of Industrial and Systems Engineering）教授Chuck Zhang说：“航空公司之所以想要研发自己修复这些部件的技术，是因为它更便宜、更快捷。” “但修复复合材料部件的技术确实需要技术的不断改进，现在这些工作大部分仍是手工完成的。“

最近，在达美公司复合材料部件维修店内，飞机鼻锥的维修正处于过程的不同阶段，其中有黑色标记的区域需要进一步检修。在这附近，反推装置正等待打磨、整理和涂装。

达美公司机队项目总经理Todd Herrington说：“我们做复合材料修复已经好多年了。然而，现在改变了的是结构类型，这包括了我们所谓的主结构部分——即是对飞机继续安全飞行至关重要的结构类型。”

目前，当需要对作为飞机主要结构部分的复合材料部件进行维修时，技术人员往往使用金属或预先加工好的复合补片，用金属紧固件将其固定。但Herrington表示，这并不理想。

“我们添加到飞机上的永久重量越大，飞行距离越短、添加燃料越多，”他说。“同时，外部维修补丁也会增加阻力，这将影响维修部位的空气动力学性能。”

Zhang的团队正在研究完善粘接修补材料的方法，从而使金属紧固件可用粘合剂替代，并由此保留复合材料的轻量级优势。而且航空航天工业并不是唯一能够从中受益的行业。例如，汽车工业也在使用一些需要不断改进修复技术的先进复合材料，Zhang表示。

由美国国家标准和技术研究院赞助、佐治亚理工学院带领的加速创新和高级复合嵌入材料技术团队正在建立一个在未来15年复合材料修复技术发展的路线图。

图2 达美航空公司机队项目总经理Todd Herrington和斯图尔特工业与系统工程学院教授Chuck Zhang进入达美航空维修厂的喷气机底部。

Zhang的团队试图克服的一个紧迫挑战是如何在粘结修理完成后测试其强度。现行方法通常需要修复，测试断裂点强度，然后使用破坏性测试结果作为指导进行再次修复。

“我们希望寻找一种检查连接点的完整性的方法，该方法在检测过程中应当不对连接点造成实质的毁坏，”Herrington说。

佐治亚理工学院的研究人员正在研究可以确保接合过程中粘合剂厚度和压力均匀性的技术。

“我们真正想做的是消除不同操作员修理造成的差异，”Herrington说。

一种可能的方法是使用先进的纳米材料和电子印刷技术将微型传感器阵列嵌入粘合剂中，且这一方法对修复部件的强度不产生任何负面影响。技术人员可以通过这些传感器来验证材料均匀性。

“这一想法通过嵌入某种类型的网格结构来测量每个节点之间的电容值差异，从而告诉我们哪里的厚度最大或哪里有压力变化，”Herrington说。

Zhang的团队也在研究测试复合材料表面是否已为粘结过程做好准备的方法。该预处理其中一部分内容是仔细清洁和打磨粘结端两侧的复合材料，以确保表面恰好适合粘结。

“当你在准备一个要进行粘合的原始部件时，你使用的砂纸的粒度、磨损程度、使用后表面的粗糙度都很重要，”Herrington说。“若能够确定上述所有状态那将是最好的，包括表面是否有污染。”

Zhang的小组正处于评估红外技术是否可检测污染的存在及测量复合材料表面特性和纹理的早期阶段。与达美合作的这两个项目将在未来两年内进行初步研究，以确定这些技术是否有应用的希望。

“我们希望可以说明粘接修复部位可以以非破坏性的方式进行测量和检查，”Herrington补充说，“这真的是我们一直以来最大的心愿。”

原文链接：Composite Repairs Revisited

本文由编辑部龙骑士提供素材，谷雨星编译，丁琬芝审核，点我加入材料人编辑部。

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