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摘要：通过分析一起波音737NG飞机风挡排雨故障，介绍了疏水涂层的工作原理及维护要点，可为同类维护提供参考。
关键词：波音737NG；疏水涂层；风挡玻璃；排雨系统
Keywords：B737NG；hydrophobic coating；windshield；rain drainage system
1 故障背景
2019年7月，北京地区进入雨季，国航多架飞机普遍反映在雨中起飞时飞机风挡排雨能力差、能见度不足。维修人员随即对涉事飞机的风挡雨刷、雨刷马达进行检查及更换。2019年8月，A飞机再次报告，飞机在雨中进近着陆时出现左侧风挡排雨能力差、能见度不足。该飞机已经更换为全新的雨刷片，检查其雨刷马达工作性能良好，对风挡表面进行泼水试验，未发现风挡雨刷系统存在问题。经与工程师商讨，将该飞机停场并对左侧一号风挡进行更换，完成更换后对其进行持续监控，在随后的雷雨天气中再未出现风挡排雨能力差问题。
2019年8月底，B飞机同样报告在雨中进近着陆时出现右侧风挡排雨能力差、能见度不足。该飞机在该航段结束后进行C检维护，决定对该风挡进行排故。考虑到更换风挡所需维护成本较大、占用人力较多，决定通过研究737NG飞机的风挡排雨系统来彻底解决此类问题。
737CL飞机的风挡排雨采用化学排雨剂系统。风挡排雨系统一般在大雨、飞机高速飞行时使用。迎面高速气流及风挡雨刷将雨水排出，从而保证风挡有足够的视野。
但737NG飞机取消了排雨剂系统，且波音飞机FIM手册并没有介绍排雨不畅而影响风挡能见度类故障的排故方案，只在波音飞机SDS30-43-00中有描述，即将疏水涂层喷涂在风挡表面（见图1）可以提高在大雨天气下风挡的能见度。根据波音飞机AMM 30-43-00/201中介绍，737NG飞机的风挡排雨主要通过雨刷将雨水排出机外，疏水涂层虽然不是放行飞机的必要要求，但波音公司建议需要保持该涂层的有效性。由于此前对B飞机的雨刷片及雨刷马达进行了维护，因此判断问题是由疏水涂层性能减低或失效导致的。
2 疏水涂层工作原理
由于玻璃表面具有较高的表面能，导致风挡玻璃表面呈现亲水性。为了降低表面能，需覆盖一层低表面能的材料，该材料即是疏水涂层。疏水涂层通常是指水在涂层表面的静态接触角大于90°的涂层[1]。根据AMM 30-43-00/201，737NG飞机疏水涂层主要由美国PPG公司提供的原材料对风挡疏水涂层进行维护，而国航选用的是件号为DSS0100的器材包。从器材包的材料可知，PPG公司制备的疏水涂层主要由卤化硅烷和氟化物疏水涂层组成，卤化硅烷疏水涂层是在硅烷单体上引入憎水基团，含有卤化硅烷及憎水基团制作的疏水涂层与水的静态接触角最高达110°[2]，提高了风挡的表面张力，降低了部分表面能。氟化物疏水涂层主要由含氟硅氧烷组成，以含氟树脂为基础，在增加含氟量的同时，在含氟树脂的基础上增加了气相的二氧化硅，得到的涂层与水的静态接触角最高可达165°[3]，进一步提高了含氟疏水涂层的疏水性。
3 疏水涂层性能评估
为了判断疏水涂层的性能衰退是否是导致风挡在雨中能见度水平降低的原因，需对疏水涂层性能进行评估。
飞机在雨中飞行时，雨水在高速气流的作用下以水滴的形态附着在风挡表面。维护人员前期为了验证风挡雨刷系统能够正常工作，通常将水倾倒在风挡表面，无法模拟雨水在空中的形态，导致只能验证风挡雨刷系统能否正常工作而无法验证疏水涂层的有效性。
将纯净水以喷雾状喷射到风挡表面，可以模拟飞机在雨中高速飞行时的形态。通过判断水滴在风挡表面的形态便可判断出疏水涂层的疏水性是否有效。如果绝大多数水滴在风挡表面能保持水滴本身固有的形态，少部分水滴在向下流淌的通道中仍可保持自身圆形或椭圆形，就能证明风挡疏水涂层性能良好，无需对其维护。如果水滴在风挡表面的形态杂乱无章，甚至大量水滴聚集在一起，说明疏水涂层性能失效，需对疏水涂层进行重新维护。
维护人员将纯净水以雾状喷洒在B飞机左右一号风挡表面，发现左侧风挡表面上的水滴绝大多数可以保持水滴本身的椭圆形或者圆形，没有大量水滴聚集在风挡表面，证明左侧风挡的疏水涂层仍然有效。而右侧风挡表面的水滴杂乱无章，甚至部分水滴聚集在风挡的中心，严重影响了风挡视野，说明右侧风挡疏水涂层已经失效。这一情况与机组在空中报告的右侧风挡雨中能见度差相符。
4 疏水涂层的维护
疏水涂层以透明的涂层形式保持在一號风挡外表，但涂层不会永久地保持在风挡的表面。影响涂层使用性能的主要因素包括：雨刷的使用次数及在风挡表面的压力；疏水涂层维护程序。
4.1 雨刷的使用对疏水涂层的影响
完成左右风挡疏水涂层的评估后，分别打开雨刷电门，一边喷射雾状纯净水一边以不同速度对风挡表面除水，发现左侧风挡雨刷在运动过程中会出现“跳跃”现象，且随着雨刷的运动加快，“跳跃”现象更加明显。右侧雨刷虽然没有出现运动异常，但能明显听见雨刷与风挡玻璃的摩擦声。
根据上述现象，初步判定雨刷在风挡表面的压力过大。根据AMM 30-42-31/201检查发现，左侧雨刷支臂压力达到了12lb，右侧雨刷支臂压力达到了27lb，远远大于手册规定的6.5～7.5lb。翻阅B飞机的维护记录发现，左侧风挡为15日前更换的全新风挡。由此得出结论：风挡雨刷的压力和使用次数可以导致风挡疏水涂层性能下降，在日常维护中需将雨刷支臂的压力调节至正常范围内，才能保证疏水涂层的磨损降到最低。
4.2 疏水涂层维护程序
根据波音飞机AMM 30-43-00/201，风挡玻璃表面失效的疏水涂层可以重新制作，无需更换新的风挡以获取全新有效的疏水涂层，从而显著降低了维护成本。 1）失效疏水涂层的去除
使用去离子水和无纺纸巾反复清洁风挡，确保玻璃表面清洁、干燥无水、无浮沉粉灰和油脂等污染物。疏水涂层以化学键的形式覆盖在风挡表面，去离子水无法去除残余的疏水涂层，需要使用氧化铝溶剂对风挡表面进行抛光工作。
抛光工作是整个疏水涂层制备的基础，如果抛光过程不充分，旧的涂层没有清除干净，新制备的涂层将覆盖在其表面，导致涂层厚度加大，使风挡雨刷运动阻力加大，反而加剧疏水涂层的磨损速度。
2）疏水涂层施工
不同机型的风挡尺寸所需的溶剂含量不同，以737NG一号风挡为例，所需卤化硅烷和氟化物疏水溶剂各20ml。在施工过程中需使用正确数量的溶剂，过多或过少的溶剂都会影响风挡表面的能见度或使用性能。
首先，使用卤化硅烷施工。表面能高的卤化硅烷作为涂层的底层，使化学溶剂更容易覆盖在玻璃表面。卤化硅烷具有易挥发的特性，打开溶剂后一定要在15min内将20ml溶剂涂覆在风挡表面，同时保证风挡的每一处都涂抹均匀。如果涂覆过多，风挡表面将呈现薄雾状；涂覆过少，风挡表面将会出现明显的条纹。
其次，使用氟化物溶剂作为涂层涂覆在卤化硅烷表面。卤化硅烷表面能明显低于风挡玻璃表面，使氟化物溶剂更容易附着在风挡表面。将氟化物溶剂快速、均匀地涂覆在风挡表面，经过氟化物施工后的疏水涂层风挡玻璃表面应呈现明显的薄雾状，如果溶剂涂覆不均匀，可以从外部明显发现。
此时氟化物并未完全覆盖在卤化硅烷表面，但此时的风挡已具有极高的疏水性。为了确保涂层更长的使用寿命及优异的性能，PPG公司建议使用电热毯保持35±5℃对重新涂覆的疏水涂层进行8h的热固化处理，即可得到全新制作完毕的疏水涂层。
对热处理后的疏水涂层进行评估，当评估达到性能要求时即可认为达到适航要求。
5 总结
B飞机在完成疏水涂層重新制备后，机组反馈飞机风挡排雨能力较好，在2019-2020年整个雨季中均未出现排雨能力差而减低能见度的情况，证明疏水涂层不但可以在日常维护中重新制备，而且在经正确操作和维护后可以保持较长的使用寿命。
在实际运营和排故中，需要维护人员认真检查排雨系统而不是单纯地更换风挡及雨刷系统。更换风挡虽然可以代替疏水涂层的制作但成本较高，一块737NG一号风挡的价格大约为1.5万美元（约合人民币95511元），而制作疏水涂层所需的全部材料仅需500美元（约合人民币3183元）；更换一块一号风挡所需工时为20h/人，制作疏水涂层所需要的工时为10h/人。综合比较，重新制备风挡的疏水涂层可以大大降低航空公司的运营成本。
建议生产计划部门将疏水涂层评估和制备工作安排至C检工作中，飞机在C检中有足够的停场时间及人力对疏水涂层进行评估和施工。根据现有监控数据，疏水涂层的寿命足以满足737NG飞机C检检查间隔，可达到预防性维修的效果。
参考文献
[1] P Patel，C K Choi，D D Meng. TiO2–SiO2–PDMS nano-composite hydrophobic coating with self-cleaning properties for marble Protection [J]. Progress in Organic Coatings，2010，12：114.
[2] Wenzel RN Ind Eng Chem. T Young. An essay on the cohesion of fluids[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London，1936，28：988.
[3] Cassie ABD. Hydrophobic coating of a microwell-patterned hydrophilic polymer substrate for targeted adhesion with high-resolution soft lithography [J]. Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，1944，40：546.
[4] 荆蒙蒙.自清洁氟碳涂料的研制[D].江西：南昌航空大学.2012.
作者简介
刘一玮，助理工程师，主要从事波音737NG飞机航线及定检维护工作。
关键词：波音737NG；疏水涂层；风挡玻璃；排雨系统
Keywords：B737NG；hydrophobic coating；windshield；rain drainage system
1 故障背景
2019年7月，北京地区进入雨季，国航多架飞机普遍反映在雨中起飞时飞机风挡排雨能力差、能见度不足。维修人员随即对涉事飞机的风挡雨刷、雨刷马达进行检查及更换。2019年8月，A飞机再次报告，飞机在雨中进近着陆时出现左侧风挡排雨能力差、能见度不足。该飞机已经更换为全新的雨刷片，检查其雨刷马达工作性能良好，对风挡表面进行泼水试验，未发现风挡雨刷系统存在问题。经与工程师商讨，将该飞机停场并对左侧一号风挡进行更换，完成更换后对其进行持续监控，在随后的雷雨天气中再未出现风挡排雨能力差问题。
2019年8月底，B飞机同样报告在雨中进近着陆时出现右侧风挡排雨能力差、能见度不足。该飞机在该航段结束后进行C检维护，决定对该风挡进行排故。考虑到更换风挡所需维护成本较大、占用人力较多，决定通过研究737NG飞机的风挡排雨系统来彻底解决此类问题。
737CL飞机的风挡排雨采用化学排雨剂系统。风挡排雨系统一般在大雨、飞机高速飞行时使用。迎面高速气流及风挡雨刷将雨水排出，从而保证风挡有足够的视野。
但737NG飞机取消了排雨剂系统，且波音飞机FIM手册并没有介绍排雨不畅而影响风挡能见度类故障的排故方案，只在波音飞机SDS30-43-00中有描述，即将疏水涂层喷涂在风挡表面（见图1）可以提高在大雨天气下风挡的能见度。根据波音飞机AMM 30-43-00/201中介绍，737NG飞机的风挡排雨主要通过雨刷将雨水排出机外，疏水涂层虽然不是放行飞机的必要要求，但波音公司建议需要保持该涂层的有效性。由于此前对B飞机的雨刷片及雨刷马达进行了维护，因此判断问题是由疏水涂层性能减低或失效导致的。
2 疏水涂层工作原理
由于玻璃表面具有较高的表面能，导致风挡玻璃表面呈现亲水性。为了降低表面能，需覆盖一层低表面能的材料，该材料即是疏水涂层。疏水涂层通常是指水在涂层表面的静态接触角大于90°的涂层[1]。根据AMM 30-43-00/201，737NG飞机疏水涂层主要由美国PPG公司提供的原材料对风挡疏水涂层进行维护，而国航选用的是件号为DSS0100的器材包。从器材包的材料可知，PPG公司制备的疏水涂层主要由卤化硅烷和氟化物疏水涂层组成，卤化硅烷疏水涂层是在硅烷单体上引入憎水基团，含有卤化硅烷及憎水基团制作的疏水涂层与水的静态接触角最高达110°[2]，提高了风挡的表面张力，降低了部分表面能。氟化物疏水涂层主要由含氟硅氧烷组成，以含氟树脂为基础，在增加含氟量的同时，在含氟树脂的基础上增加了气相的二氧化硅，得到的涂层与水的静态接触角最高可达165°[3]，进一步提高了含氟疏水涂层的疏水性。
3 疏水涂层性能评估
为了判断疏水涂层的性能衰退是否是导致风挡在雨中能见度水平降低的原因，需对疏水涂层性能进行评估。
飞机在雨中飞行时，雨水在高速气流的作用下以水滴的形态附着在风挡表面。维护人员前期为了验证风挡雨刷系统能够正常工作，通常将水倾倒在风挡表面，无法模拟雨水在空中的形态，导致只能验证风挡雨刷系统能否正常工作而无法验证疏水涂层的有效性。
将纯净水以喷雾状喷射到风挡表面，可以模拟飞机在雨中高速飞行时的形态。通过判断水滴在风挡表面的形态便可判断出疏水涂层的疏水性是否有效。如果绝大多数水滴在风挡表面能保持水滴本身固有的形态，少部分水滴在向下流淌的通道中仍可保持自身圆形或椭圆形，就能证明风挡疏水涂层性能良好，无需对其维护。如果水滴在风挡表面的形态杂乱无章，甚至大量水滴聚集在一起，说明疏水涂层性能失效，需对疏水涂层进行重新维护。
维护人员将纯净水以雾状喷洒在B飞机左右一号风挡表面，发现左侧风挡表面上的水滴绝大多数可以保持水滴本身的椭圆形或者圆形，没有大量水滴聚集在风挡表面，证明左侧风挡的疏水涂层仍然有效。而右侧风挡表面的水滴杂乱无章，甚至部分水滴聚集在风挡的中心，严重影响了风挡视野，说明右侧风挡疏水涂层已经失效。这一情况与机组在空中报告的右侧风挡雨中能见度差相符。
4 疏水涂层的维护
疏水涂层以透明的涂层形式保持在一號风挡外表，但涂层不会永久地保持在风挡的表面。影响涂层使用性能的主要因素包括：雨刷的使用次数及在风挡表面的压力；疏水涂层维护程序。
4.1 雨刷的使用对疏水涂层的影响
完成左右风挡疏水涂层的评估后，分别打开雨刷电门，一边喷射雾状纯净水一边以不同速度对风挡表面除水，发现左侧风挡雨刷在运动过程中会出现“跳跃”现象，且随着雨刷的运动加快，“跳跃”现象更加明显。右侧雨刷虽然没有出现运动异常，但能明显听见雨刷与风挡玻璃的摩擦声。
根据上述现象，初步判定雨刷在风挡表面的压力过大。根据AMM 30-42-31/201检查发现，左侧雨刷支臂压力达到了12lb，右侧雨刷支臂压力达到了27lb，远远大于手册规定的6.5～7.5lb。翻阅B飞机的维护记录发现，左侧风挡为15日前更换的全新风挡。由此得出结论：风挡雨刷的压力和使用次数可以导致风挡疏水涂层性能下降，在日常维护中需将雨刷支臂的压力调节至正常范围内，才能保证疏水涂层的磨损降到最低。
4.2 疏水涂层维护程序
根据波音飞机AMM 30-43-00/201，风挡玻璃表面失效的疏水涂层可以重新制作，无需更换新的风挡以获取全新有效的疏水涂层，从而显著降低了维护成本。 1）失效疏水涂层的去除
使用去离子水和无纺纸巾反复清洁风挡，确保玻璃表面清洁、干燥无水、无浮沉粉灰和油脂等污染物。疏水涂层以化学键的形式覆盖在风挡表面，去离子水无法去除残余的疏水涂层，需要使用氧化铝溶剂对风挡表面进行抛光工作。
抛光工作是整个疏水涂层制备的基础，如果抛光过程不充分，旧的涂层没有清除干净，新制备的涂层将覆盖在其表面，导致涂层厚度加大，使风挡雨刷运动阻力加大，反而加剧疏水涂层的磨损速度。
2）疏水涂层施工
不同机型的风挡尺寸所需的溶剂含量不同，以737NG一号风挡为例，所需卤化硅烷和氟化物疏水溶剂各20ml。在施工过程中需使用正确数量的溶剂，过多或过少的溶剂都会影响风挡表面的能见度或使用性能。
首先，使用卤化硅烷施工。表面能高的卤化硅烷作为涂层的底层，使化学溶剂更容易覆盖在玻璃表面。卤化硅烷具有易挥发的特性，打开溶剂后一定要在15min内将20ml溶剂涂覆在风挡表面，同时保证风挡的每一处都涂抹均匀。如果涂覆过多，风挡表面将呈现薄雾状；涂覆过少，风挡表面将会出现明显的条纹。
其次，使用氟化物溶剂作为涂层涂覆在卤化硅烷表面。卤化硅烷表面能明显低于风挡玻璃表面，使氟化物溶剂更容易附着在风挡表面。将氟化物溶剂快速、均匀地涂覆在风挡表面，经过氟化物施工后的疏水涂层风挡玻璃表面应呈现明显的薄雾状，如果溶剂涂覆不均匀，可以从外部明显发现。
此时氟化物并未完全覆盖在卤化硅烷表面，但此时的风挡已具有极高的疏水性。为了确保涂层更长的使用寿命及优异的性能，PPG公司建议使用电热毯保持35±5℃对重新涂覆的疏水涂层进行8h的热固化处理，即可得到全新制作完毕的疏水涂层。
对热处理后的疏水涂层进行评估，当评估达到性能要求时即可认为达到适航要求。
5 总结
B飞机在完成疏水涂層重新制备后，机组反馈飞机风挡排雨能力较好，在2019-2020年整个雨季中均未出现排雨能力差而减低能见度的情况，证明疏水涂层不但可以在日常维护中重新制备，而且在经正确操作和维护后可以保持较长的使用寿命。
在实际运营和排故中，需要维护人员认真检查排雨系统而不是单纯地更换风挡及雨刷系统。更换风挡虽然可以代替疏水涂层的制作但成本较高，一块737NG一号风挡的价格大约为1.5万美元（约合人民币95511元），而制作疏水涂层所需的全部材料仅需500美元（约合人民币3183元）；更换一块一号风挡所需工时为20h/人，制作疏水涂层所需要的工时为10h/人。综合比较，重新制备风挡的疏水涂层可以大大降低航空公司的运营成本。
建议生产计划部门将疏水涂层评估和制备工作安排至C检工作中，飞机在C检中有足够的停场时间及人力对疏水涂层进行评估和施工。根据现有监控数据，疏水涂层的寿命足以满足737NG飞机C检检查间隔，可达到预防性维修的效果。
参考文献
[1] P Patel，C K Choi，D D Meng. TiO2–SiO2–PDMS nano-composite hydrophobic coating with self-cleaning properties for marble Protection [J]. Progress in Organic Coatings，2010，12：114.
[2] Wenzel RN Ind Eng Chem. T Young. An essay on the cohesion of fluids[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London，1936，28：988.
[3] Cassie ABD. Hydrophobic coating of a microwell-patterned hydrophilic polymer substrate for targeted adhesion with high-resolution soft lithography [J]. Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，1944，40：546.
[4] 荆蒙蒙.自清洁氟碳涂料的研制[D].江西：南昌航空大学.2012.
作者简介
刘一玮，助理工程师，主要从事波音737NG飞机航线及定检维护工作。