Ученые Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук разработали метод лазерной обработки алюминиевых деталей летательных аппаратов, создающий супергидрофобное (сверх-водоотталкивающее) покрытие, которое одновременно будет устойчивым к механическому и химическому воздействию. Для придания поверхности водоотталкивающих и противообледенительных свойств был использован метод лазерной обработки поверхности с последующей химической адсорбцией фтороксисилана.

В своей работе, при обработке поверхности лазером, ученые использовали два настраиваемых параметра: скорость движения лазерного пучка и плотность линий при проходе лазерного пучка по поверхности. Многопроходная обработка с изменением параметров позволяет создавать поверхностный слой с точно заданными свойствами, в том числе с устойчивостью к различным воздействиям. Однако многопроходность замедляет производственный процесс, и используемый метод становится экономически невыгоден. Ученые ИФХЭ РАН ставили задачу добиться стойкости супергидрофобного материала, не жертвуя эффективностью процесса.

Рассмотрев широкий спектр режимов текстурирования, ученым удалось подобрать параметры лазерной обработки, при которых формируется супергидрофобный слой, стойкий к механическому воздействию, способный снижать скорость или подавлять вызывающие коррозию химические реакции, а также, благодаря верхнему нанотекстурированному оксидному слою, отражать ультрафиолетовые лучи и защищать от излучения лежащие ниже слои. Это многокомпонентный слой: верхние наночастицы состоят большей частью из оксида алюминия, устойчивого к ультрафиолетовому излучению, но мало устойчивого к абразивным нагрузкам. Более глубокий слой содержит вкрапления наночастиц- оксинитридов алюминия, которые обеспечивают высокие абразивную, химическую и антикоррозионную стойкость. Крупные поры глубокого слоя демпфируют (гасят) механические напряжения и препятствуют появлению трещин.

Разрушение супергидрофобного покрытия летательных аппаратов происходит из-за четырех основных факторов. Во-первых, ультрафиолетовое излучение разрушает гидрофобный агент, наносимый на текстурированную поверхность алюминия для придания поверхности супергидрофобных свойств. Во-вторых, большая скорость самолета приводит к тому, что частицы пыли, попадающие на движущуюся поверхность, имеют большую кинетическую энергию. Соударение таких частиц о поверхность приводит к ее абразивному износу. В-третьих, поверхность подвергается механическому воздействию при кристаллизации капель воды. В-четвертых, помимо воды, на поверхность попадают кислотные и щелочные осадки, вызывающие коррозию. Например, для сплавов алюминия агрессивной средой являются растворы хлоридов металлов. Соответственно, супергидрофобное покрытие должно одновременно быть антикоррозионным.

Во время полета самолеты и вертолеты часто встречают облака или дождь, вода в которых находится в переохлажденном состоянии, т. е. имеет температуру ниже точки замерзания. От затвердевания ее отделяет только одно — нужно инородное тело, песчинка, вокруг которой может начаться кристаллизация. И вместо такой песчинки в облаке переохлажденной воды появляется целый самолет! Вода намерзает на крыльях, уродливыми наростами полностью разрушая представления конструкторов об идеальном летательном аппарате. Профиль крыла меняется, падает подъемная сила — существует много примеров, когда обледенение приводило к катастрофам. Вода, попавшая внутрь полости, расширяется и разрушает материал. Обледеневшие движущиеся части (например, рули) может заклинить, а намерзающий на входных отверстиях двигателей лед может всосаться внутрь. Обледенение контрольно-измерительной аппаратуры приводит к тому, что пилот не имеет точной информации о скорости и высоте самолета. Обледенение считается второй, после человеческого фактора, наиболее частой причиной аварий самолетов.

На супергидрофобных покрытиях капля воды принимает почти шарообразную форму и скатывается вниз уже при небольшом (менее 10 градусов, оптимально — 3-4 градуса) наклоне поверхности. В результате лед на поверхности не образуется.

Предварительные эксперименты, проведенные в уличных условиях, позволяют считать новое супергидрофобное покрытие перспективным материалом для авиационной промышленности.

 

Обработка лазером (слева), текстурирование (справа)

 

По материалам: Laser-assisted processing of aluminum alloy for the fabrication of superhydrophobic coatings withstanding multiple degradation factors

Natalia E. Sataeva, Ludmila B. Boinovich⁎, Kirill A. Emelyanenko, Alexandr G. Domantovsky, Alexandre M. Emelyanenko. Surface & Coatings Technology 397 (2020) 125993. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.125993

Материал подготовила Ольга Макарова / Пресс-служба ИФХЭ РАН

Источник