Накопление льда на поверхности летательных аппаратов неизбежно ведёт к изменению их формы, что может повлечь за собой такие негативные явления, как увеличение аэродинамического сопротивления и уменьшение подъёмной силы.

Фото: ИФХЭ РАН.

Жидкая (слева) и замёрзшая (справа) капли воды на супергидрофобном покрытии последнего поколения. Как видно на фотографии, даже в процессе кристаллизации угол смачивания не ухудшается, превышая 170°. Такое поведение позволяет сохранить низкие площадь контакта и адгезию поверхности ко льду и переохлаждённой воде, тем самым обеспечивая спонтанное самоудаление атмосферных осадков под действием силы тяжести или ветровой нагрузки. Фото Кирилла Емельяненко.

Специалисты из Института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина Российской академии наук (ИФХЭ РАН) предложили принципиально иной подход к решению проблемы. Они разработали покрытия на алюминиевых авиационных сплавах, которые могут предотвращать обледенение поверхности конструкционных элементов и аппаратуры летательной техники. Секрет покрытий в их гидрофобности — они практически не смачиваются водой. На супергидрофобных покрытиях капля воды принимает почти шарообразную форму и скатывается вниз уже при небольшом наклоне поверхности — менее 10° (оптимально — 3—4°). В результате лёд на поверхности не образуется.

Первые такие супергидрофобные покрытия исследователи из ИФХЭ РАН описали в своей статье, вышедшей в 2017 году в журнале «ACS Nano». Метод получения супергидрофобных покрытий на алюминиевом магниевом сплаве основан на лазерной обработке поверхности сплава с последующей химической адсорбцией гидрофобного агента — фтороксисилана. Поверхность металла облучают сверхкороткими (наносекундными) лазерными импульсами. Причём луч лазера «проходит» по поверхности металла много раз. Такие сверхкороткие импульсы лазерного излучения ИК-диапазона обладают большой энергией, при поглощении которой материал испаряется, и в результате нескольких таких проходов лазера поверхность металла приобретает текстуру — иерархическую шероховатость. Иначе её называют мультимодальной текстурой.

Облучение поверхности металлического сплава происходит на воздухе, в присутствии атмосферных газов, и взаимодействие мощного излучения с металлической поверхностью сопровождается химической реакцией с этими газами. Поверхностные соединения, образующиеся при этом, изменяют физико-химические свойства поверхностных слоёв, в том числе их адсорбционную способность.

Гидрофобность поверхности — важное, но недостаточное свойство для материалов, используемых в конструктивных элементах авиационной техники, испытывающей механические и термические нагрузки. Гидрофобное покрытие должно быть прочным, коррозионностойким и устойчивым к ультрафиолетовому излучению, неизбежно воздействующему на авиационные материалы во время полётов.

Новые исследования сотрудники ИФХЭ РАН сосредоточили на тщательном изучении механизмов, способствующих химической и механической прочности супергидрофобных покрытий, и подбору оптимальных режимов лазерной обработки для их получения. Они изменяли два настраиваемых параметра: скорость движения лазерного пучка и плотность линий при его проходе по поверхности. Изменяя эти параметры многопроходной обработки, можно создавать поверхностный слой с точно заданными свойствами, в том числе устойчивый к различным воздействиям. Учитывая, что многопроходность замедляет производственный процесс, важно было подобрать такой режим создания стойкого супергидрофобного покрытия, который будет не в ущерб экономической эффективности процесса обработки.

Старший научный сотрудник ИФХЭ РАН, кандидат физико-математических наук Кирилл Емельяненко и его коллеги провели множество экспериментов, меняя режимы лазерного текстурирования поверхности, и подобрали наиболее подходящие, то есть такие, при которых формируется слоистая многокомпонентная структура, отвечающая всем требованиям.

Верхний наноструктурированный слой покрытия в основном состоит из оксида алюминия, который отражает УФ-лучи, что обеспечивает устойчивость к ультрафиолетовому излучению. Однако этот слой мало устойчив к абразивным нагрузкам, которые возникают во время соударений движущейся с большой скоростью поверхности с частицами пыли. Нижележащий слой содержит нановключения оксинитридов алюминия, которые и обеспечивают высокую абразивную, химическую и коррозионную стойкость покрытия (коррозионными агентами в атмосфере помимо воды могут выступать попадающие на поверхность металла кислотные и щелочные осадки). И, наконец, третий, глубокий слой с крупными порами демпфирует (гасит) возникающие механические напряжения и препятствует появлению трещин.

«Мы предложили существенно более быстрые режимы лазерной обработки без снижения требуемых функциональных свойств: новое семейство покрытий обрабатывается в полтора — четыре раза быстрее, — говорит Кирилл Емельяненко. — Это важно для авиации, поскольку, как правило, элементы авиационной техники, подверженные обледенению, достаточно большого размера. Кроме того, новые покрытия устойчивы к ультрафиолетовому излучению солнца — в литературе описано очень немного супергидрофобных покрытий, обладающих таким свойством. Это опять же очень важно, поскольку на больших высотах воздействие ультрафиолета весьма существенно».

Результаты нового исследования опубликованы в журнале «Surface and Coatings Technology»

№12, 2020