航空复合材料面板围巾修复的综合性可持续性评估：全效率指数方法

《Environmental Impact Assessment Review》：Integrated sustainability assessment of scarf repair for aeronautical composite panels: A total efficiency index approach

本研究通过总效率指数（TEI）框架，对比航空复合材料的整体更换与局部 scarf 修复策略，发现修复方案在生态效率上提高29%，服务价值增加17%，环境影响降低6%。敏感性分析表明，当面板尺寸增大时，修复方案的生态效率优势显著增强，且随着损伤面积占比的升高，修复更优。该方法为航空维修的循环经济策略提供了量化决策支持。

　　在当前全球对可持续发展的重视程度不断提高的背景下，航空业面临着诸多挑战，尤其是在如何减少碳排放和提升整个价值链的环境绩效方面。本文聚焦于航空复合材料的维修策略，特别是“胶接补片修复”（即“斜切修复”）方法，探讨其在延长结构复合板使用寿命方面的潜力。通过引入一种综合的可持续性评估框架——总效率指数（Total Efficiency Index, TEI），对两种处理损坏复合板的场景进行比较：一是完全更换损坏的面板（基线情景S0），二是采用局部斜切修复技术（情景S1）。研究结果表明，现场进行的斜切修复比完全更换更具有生态效率，能够生成17%更高的服务价值，同时产生6%更少的环境影响。然而，完全更换的总效率指数整体上更高，这是因为其在目标工艺和生态效率方面更接近预期值。这表明斜切修复技术在优化潜力方面更大，特别是在减少操作时间和资源消耗方面。

航空业近年来显著增加了复合材料在飞机上的使用比例。这些材料以其优异的强度与重量比而著称，不仅满足了航空结构的强度需求，还降低了飞机的重量，从而有助于提高性能、节省燃料并降低成本。然而，复合材料对冲击损伤更为敏感，有时甚至会出现肉眼无法察觉的亚表面损伤。因此，维修和翻新（MRO）活动在确保飞机安全性和质量、延长材料使用寿命以及推动可持续性和循环经济方面起着至关重要的作用。在后疫情时代，航空业的活动预计会增长，这将意味着更多的飞机制造和运营，以及对定期MRO活动的需求增加。鉴于此，制造和MRO活动的环境意义将在未来十年中变得更加重要。

通常，在识别并表征损伤后，决定是否更换或修复损坏的复合部件。如果选择更换，损坏的部分会被丢弃并被新的部件所替代。而在修复过程中，通过使用螺栓或胶接的方式将新材料附加到原有结构上，以恢复结构的强度、刚度、功能性能和安全性。这些维修程序不仅能够延长材料和部件的使用寿命，还被预期为航空航天MRO市场带来价值。然而，目前对维修过程中材料使用、工艺效率和相关环境影响的量化研究仍然较少。

已有研究集中于评估复合材料修复工艺（如胶接接头）的有效性，尤其是在不同湿度和温度条件下的机械性能和耐久性。另一项研究则探讨了将维护管理集成到数字监测系统中的框架，从而连接可持续性指标。然而，到目前为止，关于航空复合材料维修活动的具体数据尚未公开，也没有关于此类修复过程在复合板中的环境影响、生态效率或工艺效率的文献。尽管如此，一些方法论已存在，可用于支持制造和价值链利益相关方在衡量和改进其运营和环境表现方面。例如，生命周期评估（LCA）是一种基于科学的方法论，已被逐步用于支持制造公司或服务提供商在评估其产品或服务的环境影响。精益方法论也可能用于支持工艺效率和生态效率的提升。一位作者提出了将价值流图（VSM）与LCA结合的方法，以减少非增值活动和环境影响。然而，这种工具未能明确地将结果定位到最优解，也没有专门与生态效率原则相连接。

为了进一步提升对航空复合材料修复解决方案的环境和效率潜力（或限制）的理解，本文提出了一种涵盖多个方面的可持续性评估方法，以支持决策，包括资源和运营效率、生命周期环境影响以及整体生态效率。研究比较了两种替代的MRO解决方案，它们能够重新建立复合板损坏后的载荷传递连续性，从而延长其服务寿命。这两种方案分别是：S0）用新的复合板完全替换损坏的板；以及S1）使用胶接补片修复（斜切修复）技术对损坏区域进行局部修复。为了理解面板尺寸（以及损坏面积与面板总面积的比率）对结果和修复与完全替换决策的影响，进行了敏感性分析。

本研究的主要目标是航空航天行业，该行业可以通过这些解决方案和决策支持方法来改进其维护和修复程序，从而实现更短的维护时间、更低的维护成本以及整体更低的环境影响。本文的评估方法采用了一种多层流映射（MSM）技术，以量化工艺的“增值”（VA）和其在每一步工艺中的百分比。此外，还应用了LCA方法，基于工艺库存和环境背景数据，如Ecoinvent数据库v3.6，来估算工艺的潜在生命周期环境影响。生态效率则通过将服务价值（经济回报）与环境影响（LCA单一分数指标）之间的比率来衡量。TEI框架则通过计算实际工艺值与目标值（基于MSM增值、VA和库存）之间的归一化生态效率来评估整体效率。

在研究过程中，重点考察了两种情景下的工艺效率和生态效率。在S0情景中，完全更换损坏的面板涉及原材料提取、新面板制造、NDT检测以及废物处理。新面板的制造步骤包括复合面层的生产、加压罐固化以及Nomex?蜂窝芯与外部面层的组装。在S1情景中，采用局部修复技术——斜切修复——进行修复，其工艺步骤包括移除损坏材料、制造补片、粘贴补片以及修复后的表面打磨。研究发现，在修复过程中，由于高能消耗的NDT检测（如胶接测试）需要进行两次，因此该工艺的能源消耗较高。此外，修复过程中的操作时间也较长，尤其是在补片固化阶段，需要72小时的固化时间。相比之下，新面板的制造过程在时间上更为高效。

在对NDT技术的分析中，发现其在工艺效率方面具有重要作用。在S0和S1情景中，均采用了三种NDT技术：视觉检查、胶接测试和工业射线检测。其中，视觉检查作为基本的初步评估手段，其效率受到操作时间和消耗品（如记录缺陷的纸张）的影响。而胶接测试则是一种超声波NDT技术，专门用于检测复合板的亚表面分离、分层以及其他缺陷，如蜂窝芯的损坏。该技术利用便携式、可现场部署的声波发射接收方法，以克服复合板不均匀性和结构复杂性带来的挑战。此外，声发射监测也可以用于复合板的实时完整性评估，特别是在载荷承受操作中，尽管这一技术未在本研究中涉及。在修复后的质量评估阶段，视觉检查、胶接测试和工业射线检测均被采用，以准确评估或防止复合板的缺陷。因此，这些技术的环境影响不应直接进行比较。

在对两种情景下的资源使用和环境影响进行分析后，研究发现S1情景的斜切修复比S0情景的完全更换更具有生态效率。在S1情景中，服务价值增加了17%，而环境影响减少了6%。然而，完全更换的总效率指数（TEI）整体上更高，这表明其在目标工艺和生态效率方面更接近预期值。这表明斜切修复技术在优化潜力方面更大，特别是在减少操作时间和资源消耗方面。

通过敏感性分析，研究发现斜切修复（S1）在所有三种面板尺寸下均比完全更换（S0）产生更低的环境影响。对于最大尺寸R2（1500×600毫米），斜切修复的生态效率比完全更换高793%。由于修复影响不随面板尺寸增加而增加，因此对于更大的面板来说，斜切修复更具优势。LCA研究还表明，损坏区域与总面板面积的比率是决定是否采用局部修复还是完全更换的关键因素。生态效率的结果显示，对于相同尺寸的面板，修复的生态效率高于完全更换。然而，对于更高的损坏面积与总面板面积的比率，修复可能是更优的选择。

归一化生态效率（Eco-Ef_N）的结果显示，对于R0和R1尺寸，完全更换（S0）更接近其目标值。但对于R2尺寸，修复（S1）更接近其目标生态效率，从而导致TEI略微增加。这些结果确认了局部修复在更大面板上具有更大的价值潜力，不仅带来更高的经济价值（+114%），还减少环境影响（-72%）。

综上所述，本文的研究为航空复合材料的可持续性提供了重要的见解。斜切修复技术不仅在经济上具有优势，还在环境影响方面表现出显著的改善潜力。通过采用TEI框架进行综合评估，本文支持了航空业在可持续发展方面的创新和竞争力。尽管胶接修复技术已在技术层面有所研究，但其环境可持续性尚未得到充分评估。通过结合实证实验室数据、生命周期建模和生态效率分析，本文为胶接斜切修复的环境和经济可行性提供了新的视角。这种对维修服务增值的量化是将循环经济策略整合到航空维护系统中的关键步骤。这些策略与当前的政策框架，如“安全与可持续设计”（SSbD）相一致，促进了整体的可持续性思考。

本文的研究结果还表明，局部斜切修复在更大的面板上具有更大的环境和经济优势，能够延长结构复合板的使用寿命，减少其生命周期内的环境影响。因此，对于航空业而言，实施这种局部修复策略可以有效支持其向更加可持续的方向发展。同时，研究也指出了当前评估方法的局限性，例如，虽然实验室数据具有较高的可靠性，但其可能无法完全反映工业环境下的实际情况。因此，未来的改进方向可能包括将研究结果扩展到工业规模，以验证损坏与总面板面积的比率，并纳入停机时间和统计性损坏数据。此外，考虑地理差异和市场价值评估对成本数据的影响，可以进一步增强研究结果的可信度，并衡量长期的经济效益。

本文还强调了修复技术在设计优化和预防性维护中的重要性。设计优化不仅可以提高修复工作的效率，还能增强环境表现的优化潜力。同时，探索新兴的修复技术，如人工智能（AI）支持的数字仪器，可以提高损伤预测和检测的准确性，从而降低修复成本。尽管初始投资和基础设施建设是需要考虑的因素，但这些技术的引入有助于航空业实现更加高效和可持续的维护策略。此外，研究还提到，尽管回收技术尚未广泛应用于飞机结构，但未来可能通过催化热处理和热解等新兴技术回收碳纤维，从而为复合材料的可持续利用开辟新的路径。这些技术的实施需要行业间的协作，采用工业生态学的方法，以确保其真正可持续性和循环经济的可行性。