DE102014003508A1

DE102014003508A1 - Verfahren zur Herstellung sowie Verwendung einer polierten nanostrukturierten metallischen Oberfläche mit wasser- und eisabweisenden Eigenschaften

Info

Publication number: DE102014003508A1
Application number: DE102014003508.5A
Authority: DE
Inventors: Tobias Strobl; Sonja Nixon; Jana Haag; Tobias Mertens
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2015-09-17
Also published as: JP2017510717A; WO2015135521A1; US20170002475A1; EP3117029A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer wasser- und eisabweisenden Oberfläche auf einem metallischen Substrat, aufweisend die Schritte des a) Bereitstellens eines metallischen Substrats, des b) Polierens des metallischen Substrats, des c) Inkontaktbringen mindestens eines Teils der metallischen Substratoberfläche mit einer Elektrolytlösung, des d) Anodisierens des metallischen Substrats aus Schritt c) zur Herstellung einer nanoporösen Schicht auf der Substratoberfläche, und des e) Aufbringens einer hydrophobierenden Beschichtung auf der nanoporösen Schicht. Damit kann die Ansammlung von Eis insbesondere auf angeströmten Flächen von Fluggeräten gegenüber dem Stand der Technik reduziert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer wasser- und eisabweisenden Oberfläche auf einem metallischen Substrat, ein metallisches Substrat mit einer wasser- und eisabweisenden Oberfläche mit einer nanostrukturierten Oxidschicht, einer darauf aufgebrachten wasserabweisenden Beschichtung und die Verwendung des metallischen Substrats zum Schutz gegen Vereisung an einem Luftfahrzeug.
An Luftfahrzeugen, beispielsweise Flugzeuge oder Hubschrauber, sind direkt oder indirekt der Luftströmung ausgesetzte Strömungsflächen anfällig für Vereisung in bestimmten Flugsituationen. Das an den Strömungsflächen entstehende Eis erhöht das Gewicht des Luftfahrzeugs und beeinflusst die Aerodynamik ungünstig, so dass es im schlimmsten Fall zu Strömungsabrissen und einem damit verbundenen Verlust von Auftrieb kommen kann. Das Ansammeln von Eis kann durch verschiedene Maßnahmen verhindert werden („anti-icing”) und es sind auch Verfahren und Einrichtungen bekannt, mit denen angesammeltes Eis wieder entfernt werden kann („de-icing”).
So ist etwa bekannt, eine Vorderkante von Strömungsflächen mit Zapfluft aus Triebwerken zu erhitzen, um das Gefrieren von anfallendem Wasser zu vermeiden. Das Entnehmen von Zapfluft geht jedoch mit einer Verringerung der Leistung der Triebwerke einher und sollte insbesondere aus Gründen der Energieeffizienz vermieden werden.
Ferner ist bekannt, expandierbare Körper an vereisungsanfälligen Bereichen einer Oberfläche anzuordnen, um dort bereits gebildetes Eis absprengen zu können.
Die Oberflächenqualität derartiger Körper ist jedoch eingeschränkt und für eine wirksame Funktion ist das Tolerieren einer gewissen Eisschicht notwendig.
Das Einsetzen elektrisch betriebener Heizmatten an vereisungsanfälligen Strömungsflächen ist ebenfalls bekannt. Die Heizmatten lösen Eis aktiv ab oder verhindern den Eisansatz. Insbesondere bei großen Strömungsgeschwindigkeiten ist eine beträchtliche elektrische Leistung notwendig, um eine ausreichende Heizleistung bereitstellen zu können. Weiterhin ist eine Integration vor allem in kleineren Flugzeugen oder unbemannten Fluggeräten mit einem hohen Aufwand verbunden.
Zusätzlich sind chemische Verfahren bekannt, bei denen kontinuierlich eine Enteisungsflüssigkeit an den vereisungsanfälligen Strömungsflächen abgegeben wird, was jedoch aufgrund einer begrenzten Tankgröße nur eine beschränkte Einsatzdauer haben kann. Zusätzlich ist das Gewicht der Enteisungsflüssigkeit bei der Wirtschaftlichkeit zu berücksichtigen.
Aus DE102012001912A1 ist bekannt, selbstreinigende und superhydrophobe Oberflächen auf Basis von Titandioxid-Nanotubes herzustellen. Dort werden ein Verfahren zur Herstellung einer superhydrophoben Beschichtung mit selbstreinigenden Eigenschaften auf einem metallischen Substrat, ein metallisches Substrat mit superhydrophober Beschichtung und selbstreinigenden Eigenschaften erhältlich durch ein solches Verfahren, die Verwendung einer Elektrolytlösung umfassend Ammoniumsulfat und Ammoniumfluorid zur Herstellung einer superhydrophoben Beschichtung mit selbstreinigenden Eigenschaften vorgeschlagen. Hierfür wird eine Oberfläche aus einer Titanlegierung oberflächenbehandelt, so dass eine Nanostruktur durch Aufbringen von Nanotubes entsteht. Dadurch können ein Selbstreinigungseffekt und superhydrophobe Eigenschaften erzeugt werden.
DE 10 2011 121 545 offenbart die Herstellung einer strukturierten Oberflächenschicht im Sub-Mikrometerbereich mit Hilfe eines Lasers.
Aufgabe der Erfindung ist, ein verbessertes, alternatives Verfahren zum Behandeln einer Oberfläche eines metallischen Substrats vorzuschlagen, das das Herstellen einer wasser- und eisabweisenden Oberfläche ermöglicht, wobei das Verfahren möglichst zuverlässig und wirtschaftlich in großem Maßstab realisierbar sein sollte.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer wasser- und eisabweisenden Oberfläche auf einem metallischen Substrat vorgeschlagen, welches die Schritte a) des Bereitstellens eines metallischen Substrats, b) des Polierens des metallischen Substrats, c) des Inkontaktbringen mindestens eines Teils der metallischen Substratoberfläche mit einer Elektrolytlösung, d) des Anodisierens des metallischen Substrats aus Schritt c) zur Herstellung einer nanoporösen Schicht auf der Substratoberfläche, und e) des Aufbringens einer hydrophobierenden Beschichtung auf der nanoporösen Schicht aufweist.
Das Polieren dient der Herstellung einer sehr glatten metallischen Oberfläche, in der nahezu sämtliche Imperfektionen im Makro- und Mikrostrukturbereich auf der Substratoberfläche beseitigt werden, so dass die Substratoberfläche glänzt. Bevorzugt ist der Polierschritt als Spiegelpolieren ausgeführt, bei dem die Substratoberfläche einen starken Spiegelglanz erhält. Durch das Polieren wird sichergestellt, dass Wasser bzw. zu Eis erstarrende Wassertropfen nicht in auf der Substratoberfläche vorhandene Vertiefungen im Makro- und Mikrostrukturbereich eindringen können. Die mechanische Verankerung von Eis auf der Substratoberfläche als einer der wesentlichen Adhäsionsmechanismen für Eisanhaftung kann somit gänzlich ausgeschlossen werden. Der Erfolg des Polierschritts kann anhand von Rauigkeitsmessungen mit kommerziell verfügbaren Messgeräten zur Bestimmung von Oberflächenrauigkeiten experimentell erbracht werden.
Das Polieren kann durch verschiedene geeignete Verfahren erreicht werden, welche sich besonders durch das aufeinanderfolgende Abtragen von Material durch Schleifen mit immer feiner werdenden Schleifkörpern auszeichnen, die zunächst an einem festen Träger, etwa einem Stoff oder einem Papier, gebunden sind. In einem den Polierprozess abschließenden letzten Schritt kann eine flüssige Polier-Suspension eingesetzt werden, die durch einen besonders weichen Stoff eingearbeitet wird.
Nachdem sich im Spiegelpolierprozess eine gewünschte Rauigkeit mit einem genormten, arithmetischen Mittenrauwert von R_a von beispielsweise ca. 0,02 +/–0,002 μm ergibt, kann das Substrat gereinigt werden, beispielsweise mit einem Alkohol oder einer anderen, zur Entfernung von Schleif- bzw. Polierrückständen und/oder einer Polier-Suspension geeigneten Flüssigkeit.
Bezogen auf die Eishaftung ist neben dem Adhäsionsmechanismus der mechanischen Verankerung auch die Anziehung zwischen Eis und einer festen Substratoberfläche aufgrund elektrostatischer Kräfte als ein wesentlicher Mechanismus der Adhäsion zwischen zwei Festkörpern anzusehen. Die elektrostatische Anziehung kann in deutlichem Ausmaß minimiert werden, indem die Substratoberfläche eine Nanostruktur mit hydrophoben bzw. bestenfalls superhydrophoben Eigenschaften aufweist. Dies bedeutet bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, dass nach Beseitigung der makro- und mikrostrukturellen Oberflächenimperfektionen eine definierte Nanostruktur auf der polierten metallischen Substratoberfläche durch einen elektrochemischen Prozess hergestellt wird.
Ein wesentlicher Aspekt des Anodisierungsschrittes ist die Herstellung einer definierten Nanostruktur, ohne die spiegelpolierte Substratoberfläche hinsichtlich ihrer Makro- und Mikrostruktur erneut aufzurauen, was die Eishaftung negativ beeinflussen würde. Die Erzeugung der Nanostruktur ist insbesondere für das Benetzungsverhalten der Substratoberfläche mit Wasser essentiell. Gemäß dem Benetzungsmodell nach Cassie-Baxter können Wassertropfen bzw. zu Eis erstarrende Wassertropfen aufgrund der Oberflächenspannung des Wassers nicht in die auf der Oberfläche kreierte Nanostruktur eindringen. Vielmehr liegen die Wassertropfen aus diesem Grunde auf Oberflächenspitzen bzw. Nanoporen der Substratoberfläche auf, was als hydrophobes bzw. im günstigen Fall auch als superhydrophobes Oberflächenverhalten mit einem Kontaktwinkel von mehr als 90° (hydrophob) bzw. sogar größer als 150° (superhydrophob) zu bezeichnen ist.
Nach Abschluss des Anodisierungsprozesses sollte die Rauigkeit experimentell verifiziert werden. Beispielsweise sollte ein genormter, arithmetischer Mittenrauwert R_a in einem Bereich von 0,02–1,5 μm und insbesondere unter 0,1 μm liegen.
Anschließend erfolgt in einem letzten Prozessschritt eine Benetzung der auf der Substratoberfläche hergestellten Nanostruktur mit einer chemischen Lösung, welche eine Hydrophobierung der Oberfläche zum Ziel hat. Das Aufbringen kann durch ein Tauchbeschichtungsverfahren erfolgen. Durch die chemische Reaktion zwischen der hydrophobierenden Lösung (z. B. Fluorsilane oder Fluorpolyether) und der durch den Anodisierungsprozess erzeugten nanostrukturierten Oxidschicht auf der Substratoberfläche entsteht eine superhydrophobe Oberfläche. Die durch diesen Prozess erzeugten Kontaktwinkel (Wasser) liegen zwischen 150–163°
Zusammenfassend wird durch das erfindungsgemäße Verfahren demnach eine Oberflächenaufrauung ausschließlich im nanoskopischen Bereich erzeugt, wobei die Oberflächenrauigkeit mikroskopisch betrachtet nicht verändert wird und nach wie vor sehr glatt ist. Die geringe Porengröße (bevorzugt unter 100 nm. Insbesondere zwischen 10–40 nm) der Nanostruktur in Kombination mit der hydrophobierenden Beschichtung verhindert das Eindringen von Wassertropfen auf der Substratoberfläche aufgrund der Oberflächenspannung des Wassers, so dass die Eishaftung in einem erheblichen Maße reduziert wird. Folglich kann durch diese Behandlung der Oberfläche eines metallischen Substrats die Vereisung in einem erheblichen Maße verhindern. Die zur Enteisung oder das zum Vereisungsschutz aufgewandte Energie an Bord des Fluggeräts, an dem dieses Verfahren eingesetzt wird, kann im Vergleich zu Fluggeräten, die keine erfindungsgemäß bearbeitete Oberfläche einsetzen, deutlich reduziert werden.
Als „metallisches Substrat” ist im Rahmen der Erfindung jedes Substrat zu verstehen, das durchgehend aus Metall besteht oder zumindest auf seiner Oberfläche eine metallische Schicht aufweist. Die Begriffe „Metall” und „metallisch” müssen sich nicht auf reine Metalle beziehen, sondern können auch Mischungen von Metallen und Metalllegierungen umfassen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf metallische Substrate angewandt werden, die Aluminium umfassen, obwohl der Anwendungsbereich der Erfindung nicht auf dieses Metall beschränkt ist. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren auf einem metallischen Substrat angewandt, welches aus Aluminium besteht. Alternativ umfasst das metallische Substrat eine Aluminiumlegierung.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das metallische Substrat eine Aluminiumlegierung, wobei die Legierung vorzugsweise zusätzlich mindestens ein weiteres Metall ausgewählt aus der Gruppe umfassend Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Si, Ti, Zn, Sc, Ag, Li, aufweist. Eine derartige Aluminiumlegierung ist besonders geeignet für die Herstellung von Strömungsflächen für ein Luftfahrzeug. Beispielsweise könnte diese Aluminiumlegierung zusätzlich auch Lithium, Magnesium und Silizium enthalten.
In bevorzugter Ausführung kann die Menge an Aluminium in der Legierung mindestens 80 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmasse der Legierung aufweisen, beispielsweise zwischen 80 und 98 Gew.-%.
Die für die Anodisierung verwendete Elektrolytlösung weist besonders vorteilhaft mindestens eine Säure auf, wobei die Elektrolytlösung selbstverständlich auch als Gemisch von Säuren ausgeführt sein kann. Beispielsweise kann die Elektrolytlösung mindestens eine Mineralsäure, etwa Phosphorsäure und/oder Schwefelsäure aufweisen. Die Elektrolytlösung kann insbesondere aus einem Gemisch von Phosphorsäure und Schwefelsäure bestehen, wobei das Mischverhältnis zwischen 8:1 und 1:8, bevorzugt 3:2 Phosphorsäure zu Schwefelsäure umfassen kann. Alternativ kann die Elektrolytlösung auch mindestens eine organische Säure aufweisen, z. B. Oxalsäure.
Desweiteren kann die Elektrolytlösung auch auf einer wässrigen Lösung mit verschiedenen Salzen basieren. Insbesondere ist die Verwendung wässriger Elektrolytlösungen mit darin enthaltenen Salzen, besonders bevorzugt fluoridhaltigen Salzen, denkbar. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Elektrolytlösung eine wässrige Lösung aus mindestens einem Salz, insbesondere mindestens einem Ammoniumsalz, auf.
Besonders vorteilhaft wird die Oberfläche des metallischen Substrats nach dem Polieren, d. h. unmittelbar vor der Anodisierung, vorbehandelt. In einer Ausführungsform wird die Substratoberfläche in einem alkalischen, nicht-ätzenden Reinigungsbad entfettet. Anschließend kann die Substratoberfläche in eine Beizlösung kurzzeitig mit einer Dauer zwischen 1 und 20 min, insbesondere zwischen 2 und 5 min eingetaucht werden, um einen spiegelnden Oberflächenglanz zu gewährleisten. Die Beizlösung kann in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit einer Mischung aus verschiedenen Säuren oder Laugen realisiert werden, insbesondere mit einer Mischung aus Salpetersäure, Flusssäure und Wasser.
Zusätzlich kann im Anschluss an die Anodisierung sowie zwischen einzelnen, vorherigen Prozessschritten die Substratoberfläche mit voll entsalztem Wasser gereinigt werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird für die Substratoberfläche eine hydrophobierende Beschichtung durch eine Lösung hergestellt, mit der die Substratoberfläche in Berührung gebracht wird. Dies kann mittels üblicher Applikationsverfahren erfolgen, beispielsweise mittels Tauchen, Schleudern, Fluten, Pinseln oder Sprühen. Es wird vorgeschlagen, die Substratoberfläche für jeweils 0,5–20 min und insbesondere 3–8 min in die Lösung einzutauchen, um anschließend Isopropylalkohol zum Reinigen zu verwenden. Diese beiden Applikations-/Reinigungsschritte können mehrfach durchgeführt werden, bevorzugt zweimal, um die Substratoberfläche anschließend für mehrere Minuten bei einer leicht erhöhten Temperatur von beispielsweise 30–90°C und insbesondere 50–70°C auszulagern.
Die „hydrophobe Beschichtung” oder „hydrophobierende Beschichtung” ist als eine Beschichtung zu verstehen, die wasserabweisende Eigenschaften erzeugt und einen Kontaktwinkel, in Kombination mit der nanostrukturierten Oberfläche, zu Wasser von mehr zwischen 150–163° erzeugt. Aufgrund einer Abstoßung zwischen dem superhydrophoben Material und der Flüssigkeit entstehen Flüssigkeitstropfen mit einer kleinen Auflagefläche, welche leicht von der Oberfläche ablaufen bzw. abperlen können. Zusätzlich weist eine solche Beschichtung Schmutz- und Gasbestandteile in der Luft oder in Regenwasser ab, wie etwa SO₂, NO_x, Salze und hygroskopischer Staub oder durch Rückstände von Chloriden, Sulfiden, Sulfaten oder Säuren bzw. Insekten. Die geringe Auflagefläche zwischen der superhydrophoben Substratoberfläche und Verunreinigungen wird eine Anhaftung erschwert. Insgesamt kann das metallische Substrat folglich neben der Abweisung von Wasser und Eis auch die Verschmutzung verringern.
Die Erfindung betrifft ferner ein metallisches Substrat mit einer wasser- und eisabweisenden Beschichtung, welches durch das erfindungsgemäße Verfahren bereitgestellt wird. Es ist bevorzugt, dass die Oberfläche des metallischen Substrats mit der wasser- und eisabweisenden Beschichtung einen Wasserkontaktwinkel von mehr als 150° (superhydrophob) aufweist.
Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltenen metallischen Substrate mit superhydrophober Beschichtung können insbesondere in Luftfahrzeugen wie Flugzeuge und Hubschrauber eingesetzt werden. Die vorliegenden metallischen Substrate mit superhydrophober Beschichtung und selbstreinigenden Eigenschaften können jedoch auch in Landfahrzeugen, Schienenfahrzeugen oder Schifffahrzeugen eingesetzt werden.
Die Erfindung betrifft weiter die Verwendung eines metallischen Substrats mit superhydrophober Beschichtung zum Schutz gegen Vereisung an einem Luftfahrzeug.
Die Ausgestaltungen des Verfahrens gelten auch für das durch das Verfahren erhältliche metallische Substrat sowie die Verwendungen und umgekehrt.
Die Verwendung eines metallischen Substrats mit (super)hydrophober Beschichtung zum Schutz gegen Vereisung an einem Luftfahrzeug schließt nicht aus, dass dennoch eine aktive Einrichtung zum Verhindern der Ansammlung von Eis („anti-icing” System) oder zum Entfernen von angesammeltem Eis („de-icing” System) eingesetzt werden kann, die jeweils auf einem bekannten Wirkprinzip basiert. Ein Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, den Primärenergiebedarf eines Enteisungssystems zu senken, indem die Oberfläche des metallischen Substrats, wie vorangehend dargestellt, bearbeitet wird. Ist das metallische Substrat beispielsweise die Vorderkante einer Strömungsfläche, kann innerhalb der Vorderkante eine Vorrichtung zum Erwärmen oder leichtes Verformen des metallischen Substrats integriert sein, beispielsweise in Form eines thermoelektrischen und/oder eines elektromechanischen Enteisungssystems.
Die Erfindung kann daher auch ein hybrides Enteisungssystem für ein Luftfahrzeug betreffen, welches ein metallisches Substrat mit einer vorangehend dargestellten Oberflächenbeschichtung als passive Komponente und mindestens eine aktive Enteisungseinrichtung aufweist. Besonders bevorzugt weist die mindestens eine aktive Enteisungseinrichtung eine elektrothermische Enteisungseinrichtung zum Verhindern von Eisanfall oder zum Entfernen von angefallenem Eis und eine mechanische Enteisungseinrichtung zum mechanischen Entfernen von angesammeltem Eis auf. Ein solches Enteisungssystem ist der Europäischen Patentanmeldung EP 13 005 342 zu entnehmen.
Als aktiv wirkende und beispielsweise zyklisch betätigbare, sehr wenig energieverbrauchende Komponente eines hybriden Enteisungssystems ist ein elektromechanisches Subsystem denkbar, welches nur geringe Verformungen an dem metallischen Substrat durchführt, um angesammeltes Eis abzulösen. Der Leistungsbedarf hierfür ist aufgrund der reduzierten Anhaftkraft des Eises deutlich geringer als bei vergleichbaren Enteisungseinrichtungen im Stand der Technik.
Die Feineinstellung der Parameter des Anodisierungsprozesses kann durch Versuche validiert werden. Die Charakterisierung der Eishaftung der im Prozess hergestellten wasser- und eisabweisenden Oberflächenbeschichtung kann durch einen dynamischen Test mit einem elektrodynamischen Permanentmagnet-Schwingerreger durchgeführt werden. Für die Durchführung der Schwingprüfanwendung wird eine mit der wasser- und eisabweisenden Oberfläche beschichtete Probe mit definierter Größe in einem Vereisungswindkanal unter realistischen, für einen Flug eines die Probe verwendenden Fluggeräts relevanten Vereisungsbedingungen vereist. Die vereiste Probe wird sodann innerhalb einer Kühlkammer in einen Schwingerreger eingespannt und zum Schwingen nahe der ersten Resonanzfrequenz der Probe angeregt. Mittels eines Dehnmessstreifens, der auf einer dem Eis gegenüberliegenden Seite der Probe aufgeklebt ist, wird die Dehnung der Probe kontinuierlich während der Schwingungsanregung detektiert. Das Ablösen der Eisschicht kann durch einen plötzlichen Sprung in der Dehnungsamplitude ermittelt werden, welcher auf die Änderung der Biegesteifigkeit des Probenverbundes aus Metall und Eis zurückzuführen ist aufgrund des entweder teilweisen oder vollständigen Ablösen des Eises von der Probe
Bei der Validierung der wasser- und eisabweisenden Eigenschaften ist ferner wichtig, neben der Messung des Kontaktwinkels auch die Oberflächenrauheit R_a zu bestimmen. Somit kann verhindert werden, dass unvorteilhafte Prozessparameter bei der Anodisierung gewählt werden und dies ein Aufrauen der zuvor polierten Oberfläche im mikroskopischen Maßstab generieren würde.
Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf Ausführungsbeispiele der Erfindung eingegangen. Es zeigen:
1 Einen spiegelpolierten Körper.
2 Einen spiegelpolierten und anodisierten Körper.
3 Aufnahmen der Oberfläche des Körpers im Nanostrukturbereich.
4 Benetzungsmodell nach Cassie-Baxter.
5 Einen zweiten Probekörper mit einer spiegelpolierten Vorderkante.
6 Einen zweiten Probekörper mit einer spiegelpolierten, anodisierten und hydrophobierten Vorderkante.
7 Eine Vorderkante einer Strömungsfläche mit hybridem Enteisungssystem.
Zum Herstellen einer wasser- und eisabweisenden Beschichtung auf einem metallischen Substrat wird zunächst ein zu beschichtender Körper aus einer unplattierten Aluminiumlegierung 2024-T3 bereitgestellt, der in 1 gezeigt wird. Beispielhaft werden zum Nachweis des Verfahrens flache Probekörper mit einer Dicke von 1,6 mm verwendet, die eine anfängliche Oberflächentopologie aufweisen, welche deutlich im Mikrostrukturbereich liegen.
Zunächst wird der Körper spiegelpoliert, wobei der Körper beispielhaft von Hand mit immer feiner werdendem Schleifpapier bearbeitet und anschließend mit einer Silika-Suspension (Oxid-Endpolier-Suspension) auf einer Samtscheibe endpoliert. Anschließend werden die Suspension und Schleifrückstände mittels eines alkalischen Reinigungsmittels von der Oberfläche entfernt. Die Reinigung kann etwa durch Einwirken des Reinigungsmittels, etwa Alkohol, über mehrere Minuten, beispielsweise 5 min, bei einer erhöhten Temperatur, etwa 65°C, erfolgen.
Anschließend kann der Körper in einer Reizlösung gebeizt werden, um prozessbedingte Kontaminationen zu entfernen und eine reproduzierbare Ausgangsoberfläche zu erzeugen. Der in 1 ersichtliche Spiegelglanz muss bei diesem erhalten bleiben. Im Anschluss an das Beizen wird der Körper mittels voll entsalztem Wasser gereinigt, etwa durch Spülen über einen Zeitraum von mehreren Minuten.
Die Erzeugung der Nanostruktur erfolgt anschließend durch das Anodisieren. Hierzu wird der Körper in einen Elektrolyten getaucht und bei einer vorgegebenen Temperatur und einer vorgegebenen Anodisierungsspannung anodisiert. Wird ein Gemisch aus Phosphor- und Schwefelsäure verwendet, kann die Anodisierungsspannung etwa in einem Bereich von 5 bis 50 V bevorzugt zwischen 18 und 22 V und die Temperatur in einem Bereich von 20 bis 40°C bevorzugt zwischen 22°C und 28°C liegen. Die hieraus resultierende, leicht matter wirkende Oberfläche wird in 2 dargestellt.
Anschließend erfolgt eine Beschichtung mit einer hydrophobierenden Beschichtung, mit z. B. einen Fluorsilan oder einem Fluorpolyether bevorzugt in einem Tauchverfahren.
Die hieraus resultierende Oberflächenstruktur im Nanometerbereich zeigt 3 in Form zweier Aufnahmen mit einem Rasterelektronenmikroskop in unterschiedlichen Auflösungen.
Der wasserabweisende Charakter kann anhand der Messung des in 4 dargestellten Kontaktwinkels θ_CB bestimmt werden. Hier ist ein Substrat 2 gezeigt, welches eine poröse Oberfläche 4 aufweist, auf der ein Wassertropfen 6 aufliegt. Der Kontaktwinkel θ_CB ist der Winkel zwischen der Oberfläche des Wassertropfens 6 und der Oberfläche 4 als Kontaktfläche für den Wassertropfen 6. Der Kontaktwinkel ist ein Maß für die Benetzbarkeit eines Festkörpers durch eine Flüssigkeit.
Der Kontaktwinkel θ_CB ist ein statischer Kontaktwinkel. Zusätzlich können auch dynamische Kontaktwinkel gemessen werden, die besonders in einen Fortschreitwinkel (CAA – contact angle advancing) und einen Rückzugswinkel (CAR – contact angle receding) unterteilt werden. Der Fortschreitwinkel zwischen einer Flüssigkeit und einem Festkörper ist als der Kontaktwinkel anzusehen, der sich während des Benetzungsvorgangs einstellt. Der Rückzugswinkel ist analog dazu während der Entnetzung zu messen.
Bezogen auf die Eishaftung wird insbesondere die Hysterese als aussagekräftiges Kriterium für das Benetzungsverhalten von Oberflächen herangezogen. Diese wird als Differenz aus Fortschreit- und Rückzugwinkel berechnet. Für nachfolgend beschriebene Anodisierparameter und die auf der Nanostruktur aufgebrachte Perflourpolyether-Beschichtung konnte ein messtechnisch nachweisbarer Fortschreitwinkel von 160.6 ± 0.59° realisiert werden, ein Rückzugwinkel von 158.1 ± 0.14° und damit eine Hysterese von 2.5°.
Zur Evaluierung des wasser- und eisabweisenden Charakters wird ein mit den oben genannten Verfahrensschritten (a) bis (c) hergestellter flacher Probekörper mit rechteckigem Querschnitt anhand der vorangehend genannten Schwingprüfanwendung untersucht.
Es konnte dabei festgestellt werden, dass die Haftung des Eises auf einem wasser- und eisabweisenden, oberflächenbeschichteten Aluminiumbasissubstrat eine Haftung in der Grenzfläche von 0.008 ± 0.001 MPa aufweist, und die rein spiegelpolierte Aluminiumprobe eine Haftung von 0.018 ± 0.001 MPa. Somit wird durch die Anodisierung und Oberflächenbeschichtung eine Reduzierung der Eishaftung in der Grenzfläche von mehr als 50% erreicht.
Bei der Verwendung von Phosphorschwefelsäure, d. h. einer Mischung auf Phosphorsäure und Schwefelsäure, die in diesem Fall ein exemplarisches Mischungsverhältnis von 3:2 Phosphorsäure zu Schwefelsäure aufweist, als Elektrolytlösung lässt sich zudem die Rauigkeit durch Variieren der Anodisierungsspannung und der Temperatur der Elektrolytlösung beeinflussen. In der nachfolgenden Tabelle wird dargestellt, wie sich die mittleren R_A-Werte für vier verschiedene Proben (a), (b), (c) und (d) mit unterschiedlichen Elektrolyttemperaturen und Anodisierungsspannungen verändern:
Die Probe (a) weist etwa den geringsten Wert von R_a auf, der bei 0,02 μm ± 0,002 μm liegt. Die Kontaktwinkelhysterese, welche mit CAH („contact angle hysteresis”) bezeichnet wird, ist vergleichsweise mit 15,2° am höchsten. Der Fortschrittwinkel (CAA) liegt bei 151,5° ± 1,21°, der Rückzugwinkel (CAR) bei 136,3° ± 1,48°. Die Probe (a) wurde mit einer Spannung von 18 V anodisiert, bei einer Temperatur der Elektrolytlösung von 20°C.
Die Anodisierungsspannung wird für die Proben (b) und (c) beibehalten, während Probe (d) bei einer Anodisierungsspannung von 22 V behandelt wird. Die Elektrolyttemperatur ist bei (b) und (d) mit 26° gleich, Probe (c) wurde mit einer Elektrolyttemperatur von 30° behandelt. Die hieraus resultierenden Kontaktwinkel, Hysterese und Rauhigkeitswerte sind der obenstehenden Tabelle zu entnehmen.
Aus dieser Untersuchung kann festgestellt werden, dass die Probe (b) das beste eisabweisende Verhalten aufgrund des Kontaktwinkels von 160,6° ± 0,59°, einem rückschreitenden Kontaktwinkel von 158,1° ± 0,14° und dadurch eine Hysterese von 2,5° besitzt. Dies erfolgt durch die geringe Dichte an Nanoporen. Durch das Erhöhen der Temperatur der Elektrolytlösung im Anodisierungsprozess wird die Oberflächenmorphologie derart beeinflusst, dass die Dichte der Nanoporen steigt und die Poren selbst zur Überwucherung neigen.
In den 5 und 6 werden alternative Probekörper dargestellt, die nur partiell in einem vereisungsanfälligen Flächenbereich oberflächenbehandelt sind und einen Querschnitt aufweisen, der dem eines Flügelprofils ähnelt und eine im Wesentlichen hohle Vorderkante besitzen. 5 zeigt eine spiegelpolierten Vorderkante, während in 6 eine spiegelpolierte und anodisierte Vorderkante zu sehen ist.
7 zeigt die Integration einer elektrothermischen Enteisungseinrichtung 8 und zweier mechanischer Enteisungseinrichtungen 10 in eine Vorderkante 12 einer Strömungsfläche eines Fluggeräts bzw. eines Probekörpers aus 6. Die Enteisungseinrichtungen 8 und 10 sowie die vorteilhafte Oberflächenbeschichtung der Vorderkante 12 stellen somit ein hybrides Enteisungssystem dar. Durch die eis- und wasserabweisende Oberflächenbeschichtung der Vorderkante 12 kann das Ansammeln von Eis deutlich gegenüber unbehandelten Vorderkanten 12 verringert werden, so dass der Primärenergiebedarf der Enteisungseinrichtungn 8 und 10 reduziert werden kann.
Der Fachmann erhält aus den vorangehend untersuchten Parametern folglich einen Anhaltspunkt dafür, nach Wahl einer geeigneten Elektrolytlösung durch Variation von Prozessparametern in einem überschaubaren Wertebereich ein ideales Ergebnis für die Oberflächenmorphologie des metallischen Substrats insbesondere für eine Vorderkante einer Strömungsfläche zu erhalten. Hieraus können wiederum Rückschlüsse für die aufzuwendende Primärenergie zum Lösen des Eises getroffen werden, etwa in einem hybriden Enteisungssystem.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012001912 A1 [0008]
DE 102011121545 [0009]
EP 13005342 [0036]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer wasser- und eisabweisenden Oberfläche auf einem metallischen Substrat, aufweisend die Schritte a) Bereitstellen eines metallischen Substrats, b) Polieren des metallischen Substrats, c) Inkontaktbringen mindestens eines Teils der metallischen Substratoberfläche mit einer Elektrolytlösung, d) Anodisieren des metallischen Substrats aus Schritt c) zur Herstellung einer nanoporösen Schicht auf der Substratoberfläche, und e) Aufbringen einer hydrophobierenden Beschichtung auf der nanoporösen Schicht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Polierens das Spiegelpolieren umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das metallische Substrat nach dem Polieren in einer Reizlösung gebeizt wird, bis ein Spiegelglanz entsteht.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das metallische Substrat eine Aluminiumlegierung ist und vorzugsweise zusätzlich mindestens ein weiteres Metall ausgewählt aus der Gruppe umfassend Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Si, Ti, Zn, Sc, Li, Ag aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Elektrolytlösung mindestens eine Säure und insbesondere mindestens eine Mineralsäure, oder mindestens eine organische Säure, oder eine Mischung aus mindestens einer Mineralsäure und mindestens einer organischen Säure aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Elektrolytlösung eine wässrige Lösung mindestens eines Salzes, insbesondere mindestens eines Ammoniumsalzes, aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anodisieren das metallischen Substrats in einer Elektrolytlösung bei einer Temperatur in einem Bereich von 20°C bis 40°C und einer Spannung von 5 bis 50 V erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Schritt des Aufbringens einer hydrophobierenden Beschichtung das Aufbringen einer Lösung umfasst, die Fluorsilane oder Fluorpolyether aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Inkontaktbringen der metallischen Substratoberfläche mit der Elektrolytlösung und/oder das Aufbringen der hydrophobierenden Beschichtung auf der nanoporösen Schicht mittels Tauchen, Schleudern, Fluten, Pinseln oder Sprühen erfolgt.
Metallisches Substrat mit einer wasser- und eisabweisenden Beschichtung erhältlich durch das Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9.
Metallisches Substrat gemäß Anspruch 10, wobei die Oberfläche des Substrats mit wasser- und eisabweisender Beschichtung einen Kontaktwinkel (θ_CB) zu Wasser von mehr als 150° aufweist.
Verwendung eines metallischen Substrats mit wasser- und eisabweisender Beschichtung gemäß Anspruch 10 oder 11 zum Schutz gegen Vereisung an einem Fluggerät.
Verwendung nach Anspruch 12, wobei die wasser- und eisabweisende Beschichtung mindestens an einer Vorderkante mindestens einer Strömungsfläche des Fluggeräts angeordnet ist.
Verwendung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die wasser- und eisabweisende Beschichtung mit einem hybriden Enteisungssystem kombiniert wird.
Fluggerät, aufweisend mindestens eine Strömungsfläche, die mindestens an ihrer Vorderkante ein metallisches Substrat nach einem der Ansprüche 10 und 11 aufweist.