EP3117029A1 - Verfahren zur herstellung sowie verwendung einer polierten nanostrukturierten metallischen oberfläche mit wasser- und eisabweisenden eigenschaften - Google Patents

Verfahren zur herstellung sowie verwendung einer polierten nanostrukturierten metallischen oberfläche mit wasser- und eisabweisenden eigenschaften

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Publication number
EP3117029A1
EP3117029A1 EP15724928.5A EP15724928A EP3117029A1 EP 3117029 A1 EP3117029 A1 EP 3117029A1 EP 15724928 A EP15724928 A EP 15724928A EP 3117029 A1 EP3117029 A1 EP 3117029A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ice
metallic substrate
water
repellent
substrate
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15724928.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Strobl
Sonja Nixon
Jana HAAG
Tobias Mertens
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
Airbus Defence and Space GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Airbus Defence and Space GmbH filed Critical Airbus Defence and Space GmbH
Publication of EP3117029A1 publication Critical patent/EP3117029A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C25D11/18—After-treatment, e.g. pore-sealing
    • C25D11/24—Chemical after-treatment

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a water
  • ice-repellent surface on a metallic substrate a metallic substrate having a water and ice-repellent surface with a
  • nanostructured oxide layer a water repellent coating applied thereto and the use of the metallic substrate to protect against icing on an aircraft.
  • Flow surfaces is also known.
  • the heating mats actively dissolve ice or prevent the ice from forming.
  • a considerable electrical power is necessary in order to provide sufficient heating power can.
  • an integration especially in smaller aircraft or unmanned aerial vehicles with a high cost.
  • the object of the invention is an improved alternative method for
  • step c) contacting at least a portion of the metallic substrate surface with an electrolyte solution, d) anodizing the metallic substrate from step c) to produce a nanoporous layer on the substrate surface, and e) applying a metal substrate
  • Polishing serves to produce a very smooth metallic surface in which almost all macro- and microstructure imperfections on the surface of the substrate are removed so that the substrate surface shines.
  • the polishing step is preferably carried out as mirror polishing, in which the
  • Substrate surface receives a strong mirror shine. By polishing it is ensured that water or ice solidifying water drops are not in on the Substrate surface existing depressions in the macro and microstructure area can penetrate. The mechanical anchoring of ice on the
  • Substrate surface as one of the essential adhesion mechanisms for Eisanhaftung can thus be completely excluded.
  • the success of the polishing step can be determined by means of roughness measurements with commercial
  • the polishing can be achieved by various suitable methods, which are characterized in particular by the successive removal of material by grinding with ever finer grinding wheels, which are first bound to a solid support, such as a cloth or a paper.
  • a liquid polishing suspension can be used, which is incorporated by a particularly soft material.
  • the substrate can be cleaned, for example with an alcohol or another, to remove grinding or grinding Polishing residues and / or a polishing suspension suitable liquid.
  • the electrostatic attraction can be minimized to a significant degree by the substrate surface having a nanostructure with hydrophobic or at best superhydrophobic properties. This means at the inventive method that after removal of the macro- and
  • microstructural surface imperfections a defined nanostructure on the polished metallic substrate surface is produced by an electrochemical process.
  • An essential aspect of the anodization step is the production of a defined nanostructure, without re-roughening the mirror-polished substrate surface with regard to its macrostructure and microstructure, which would adversely affect the ice adhesion.
  • the generation of the nanostructure is particularly important for the wetting behavior of the substrate surface with water. According to the wetting model according to Cassie-Baxter, water droplets or water droplets which solidify into ice can not penetrate into the nanostructure created on the surface because of the surface tension of the water.
  • a wetting of the nanostructure produced on the substrate surface with a chemical solution which has a hydrophobization of the surface to the goal.
  • the application can be done by a dip coating method.
  • the hydrophobing solution eg fluorosilane or fluoropolyether
  • Oxide layer on the substrate surface creates a superhydrophobic
  • the contact angle (water) produced by this process is between 150 and 163 °.
  • a surface roughening is produced exclusively in the nanoscopic range by the method according to the invention, wherein the surface roughness is not changed microscopically and is still very smooth.
  • the small pore size (preferably below 100 nm.
  • Anti-icing energy on board the aircraft on which this procedure is used can be compared with aircraft that do not
  • a "metallic substrate” is to be understood as meaning any substrate which consists entirely of metal or at least on its surface
  • the terms "metal” and “metallic” need not refer to pure metals, but may also include mixtures of metals and metal alloys.
  • the method of the invention can be applied to metallic substrates comprising aluminum, although the scope of the invention is not limited to this metal.
  • the method according to the invention is applied to a metallic substrate which consists of aluminum.
  • the metallic substrate comprises an aluminum alloy.
  • the metallic substrate is a metallic substrate which consists of aluminum.
  • the metallic substrate comprises an aluminum alloy.
  • the metallic substrate is a
  • Aluminum alloy wherein the alloy preferably additionally comprises at least one other metal selected from the group comprising Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Si, Ti, Zn, Sc, Ag, Li.
  • Such an aluminum alloy is particularly suitable for the production of flow surfaces for an aircraft.
  • this aluminum alloy could also lithium, magnesium and
  • the amount of aluminum in the alloy may be at least 80% by weight, based on the total mass of the alloy, for example between 80 and 98% by weight.
  • the electrolyte solution used for the anodization particularly advantageously comprises at least one acid, wherein the electrolyte solution can of course also be designed as a mixture of acids.
  • the electrolyte solution can of course also be designed as a mixture of acids.
  • Electrolyte have at least one mineral acid, such as phosphoric acid and / or sulfuric acid.
  • the electrolyte solution may in particular consist of a mixture of phosphoric acid and sulfuric acid, wherein the
  • Sulfuric acid may include.
  • the electrolyte solution may also comprise at least one organic acid, e.g. Oxalic acid.
  • the electrolyte solution can also be based on an aqueous solution with various salts.
  • aqueous electrolyte solutions with salts contained therein is particularly preferred
  • the electrolyte solution has an aqueous solution of at least one salt, in particular at least one ammonium salt.
  • the surface of the metallic substrate after polishing, ie immediately before the anodization pretreated is particularly advantageous.
  • the substrate surface is degreased in an alkaline, non-corrosive cleaning bath. Subsequently, the substrate surface can be immersed in a pickling solution for a short time with a duration between 1 and 20 minutes, in particular between 2 and 5 minutes, to a specular
  • the pickling solution can be realized in a preferred embodiment with a mixture of different acids or alkalis, in particular with a mixture of nitric acid, hydrofluoric acid and water.
  • the substrate surface can be cleaned with demineralized water.
  • Substrate surface a hydrophobic coating made by a solution with which the substrate surface is brought into contact. This can be done by means of conventional application methods, for example by means of dipping, spinning, flooding, brushing or spraying. It is suggested that
  • the substrate surface Immerse the substrate surface for each 0.5 - 20 min and especially 3 - 8 min in the solution to then use isopropyl alcohol for cleaning. These two application / purification steps can be carried out several times, preferably twice, in order to subsequently outsource the substrate surface for several minutes at a slightly elevated temperature of, for example, 30-90.degree. C. and in particular 50-70.degree.
  • the "hydrophobic coating” or “hydrophobizing coating” is to be understood as a coating which produces water-repellent properties and produces a contact angle, in combination with the nanostructured surface, to water of more between 150-163 °. Due to a repulsion between the superhydrophobic material and the liquid arise
  • the metallic substrate can therefore in addition to the rejection of water and ice and the
  • the invention further relates to a metallic substrate with a water and ice-repellent coating, which is provided by the method according to the invention. It is preferred that the surface of the metallic
  • the metallic substrates with superhydrophobic coating obtained by the process according to the invention can be used in particular in aircraft such as aircraft and helicopters.
  • the invention further relates to the use of a metallic substrate with superhydrophobic coating for protection against icing on a
  • the embodiments of the method also apply to the metallic substrate obtainable by the method as well as the uses and vice versa.
  • Anti-icing coating on an aircraft does not preclude nonetheless an active anti-icing system or de-icing system which can be used to prevent ice accumulation each based on a known mode of action.
  • One aspect of the method according to the invention is that
  • the metallic substrate is the leading edge of a flow surface, there may be a device within the leading edge for heating or light
  • Deforming of the metallic substrate may be integrated, for example in the form of a thermoelectric and / or an electromechanical deicing system.
  • the invention can therefore also be a hybrid de-icing system for a
  • Aircraft concern which has a metallic substrate with a surface coating shown above as a passive component and at least one active deicing.
  • the at least one active deicing device has an electrothermal
  • Deicing device for preventing ice accumulation or for removing accumulated ice and a mechanical deicing device for
  • a component of a hybrid de-icing system which acts as an active and, for example, cyclically actuatable, very low-energy component is a
  • Electro-mechanical subsystem conceivable, which performs only small deformations on the metallic substrate to detach accumulated ice.
  • the power requirement for this is significantly lower than for comparable deicing devices in the prior art due to the reduced adhesion of the ice.
  • the fine tuning of the parameters of the anodization process can be validated by experiment.
  • the characterization of the ice adhesion of the water and ice-resistant surface coating produced in the process can be carried out by a dynamic test with an electrodynamic Permanentmag net- Schwingerreger.
  • Vibration test application becomes one with the water and ice repellent
  • Icing wind tunnel is frozen under realistic icing conditions relevant to a flight of an aircraft using the sample.
  • the frozen sample is then clamped within a cooling chamber in a vibrator and excited to vibrate near the first resonant frequency of the sample.
  • a strain gauge which on one the ice
  • the elongation of the sample is detected continuously during the vibration excitation.
  • the detachment of the ice layer can be determined by a sudden jump in the strain amplitude, which depends on the change in the bending stiffness of the
  • Metal or ice composite is due to either partial or complete detachment of the ice from the sample
  • In the validation of the water and ice-repellent properties is also important to determine the surface roughness R a in addition to the measurement of the contact angle. Thus, it can be prevented that unfavorable
  • Process parameters are selected in the anodization and this would generate a roughening of the previously polished surface on a microscopic scale.
  • Embodiments of the invention received. 1 shows a mirror-polished body.
  • Fig. 2 A mirror polished and anodized body.
  • Fig. 3 shots of the surface of the body in the nanostructure area.
  • Fig. 4 wetting model according to Cassie-Baxter.
  • 5 shows a second test specimen with a mirror-polished front edge.
  • 6 shows a second test specimen with a mirror-polished, anodized and hydrophobized front edge.
  • Fig. 7 A leading edge of a flow surface with hybrid
  • a body to be coated is initially provided from an unplated aluminum alloy 2024-T3, which is shown in FIG.
  • flat specimens are used to demonstrate the method 1, 6 mm thick, which have an initial surface topology, which are clearly in the microstructure range.
  • the body is mirror-polished, whereby the body is processed by hand with increasingly fine abrasive paper and then polished with a silica suspension (oxide final polishing suspension) on a velvet disk. Subsequently, the suspension and grinding residues are removed from the surface by means of an alkaline cleaning agent.
  • the cleaning can take place, for example, by the action of the cleaning agent, for example alcohol, over several minutes, for example 5 minutes, at an elevated temperature, about 65 ° C.
  • the body can be pickled in a pickling solution to
  • the nanostructure is then produced by anodizing.
  • the body is immersed in an electrolyte and anodized at a predetermined temperature and a predetermined anodization. If a mixture of phosphoric and sulfuric acid is used, the
  • Anodization voltage approximately in a range of 5 to 50 V, preferably between 18 and 22 V and the temperature in a range of 20 to 40 ° C preferably between 22 ° C and 28 ° C.
  • the resulting slightly matt-acting surface is shown in FIG.
  • Coating with z.
  • a fluorosilane or a fluoropolyether preferably in a dipping process.
  • FIG. 3 The resulting surface structure in the nanometer range is shown in FIG. 3 in the form of two images with a scanning electron microscope in FIG.
  • the water-repellent character can be determined by measuring the contact angle 0 C B shown in FIG.
  • a substrate 2 which has a porous surface 4, on which a water droplet 6 rests.
  • the contact angle 0CB is the angle between the surface of the water droplet 6 and the surface 4 as a contact surface for the water droplet 6
  • Contact angle is a measure of the wettability of a solid by a liquid.
  • the contact angle GCB is a static contact angle.
  • dynamic contact angles can be measured, especially in one
  • CAA Advance angle
  • CAR - contact angle receding a retraction angle
  • the angle of advancement between a liquid and a solid is considered to be the contact angle established during the wetting process.
  • the retraction angle is analogous to measure during dewetting.
  • hysteresis in particular is used as a meaningful criterion for the wetting behavior of surfaces. This is calculated as the difference between the progression and retreat angles.
  • phosphorous sulfuric acid i. a mixture of phosphoric acid and sulfuric acid, which in this case is an exemplary
  • Mixing ratio of 3: 2 phosphoric acid to sulfuric acid, as an electrolyte solution can also be the roughness by varying the
  • the sample (a) has about the lowest value of R a , which is 0.02 pm ⁇ 0.002 ⁇ .
  • the contact angle hysteresis which is referred to as "contact angle hysteresis" (CAH)
  • CAH contact angle hysteresis
  • the progress angle (CAA) is 151.5 ° ⁇ 1.21 °
  • the retraction angle (CAR) is 136 , 3 ° ⁇ 1, 48 °
  • the sample (a) was anodized at a voltage of 18 V, at a temperature of the electrolyte solution of 20 ° C.
  • the anodization voltage is maintained for samples (b) and (c) while sample (d) is treated at an anodization voltage of 22V.
  • the electrolyte temperature is equal to 26 ° in (b) and (d), and sample (c) was treated with an electrolyte temperature of 30 °.
  • the resulting contact angles, hysteresis and roughness values are shown in the table above.
  • the sample (b) exhibits the best ice-repelling behavior due to the contact angle of 160.6 ° ⁇ 0.59 °, a receding contact angle of 158.1 ° ⁇ 0.14 ° and thus a hysteresis of 2 , 5 ° has. This is due to the low density of nanopores.
  • the surface morphology is influenced such that the density of the nanopores increases and the pores themselves tend to overgrow.
  • FIGS. 5 and 6 show alternative test specimens which are only partially surface-treated in an area susceptible to icing and which have a cross section which is similar to that of a wing profile and has a substantially hollow leading edge.
  • FIG. 5 shows a mirror-polished
  • FIG. 7 shows the integration of an electrothermal deicing device 8 and two mechanical deicing devices 10 into a leading edge 12 of a flow surface of an aircraft or specimen of FIG. 6.
  • the deicing devices 8 and 10 and the advantageous surface coating of the leading edge 12 thus constitute a hybrid deicing system. Due to the ice and water-repellent surface coating of the front edge 12, the accumulation of ice can be significantly reduced compared to untreated leading edges 12, so that the primary energy requirements of the defrosting devices 8 and 10 can be reduced.
  • the expert thus obtains an indication that, after the selection of a suitable electrolyte solution by variation of process parameters in a manageable range of values, an ideal result for the surface morphology of the metallic substrate, in particular for a leading edge of a flow surface, is obtained. From this, in turn, conclusions can be drawn for the primary energy required to dissolve the ice, for example in a hybrid de-icing system.

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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

Verfahren zur Herstellung sowie Verwendung einer polierten nanostrukturierten metallischen Oberfläche mit wasser- und eisabweisenden
Eigenschaften 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.
Bestäti un sko ie 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 Ra von beispielsweise ca. 0,02 +/- 0,002 pm 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 Ra in einem Bereich von 0,02 - 1 ,5 [im und insbesondere unter 0, 1 pm 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, NOx, 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 energie- verbrauchende 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 Permanentmag net- 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 Ra 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: Fig. 1 Einen spiegelpolierten Körper.
Fig. 2 Einen spiegelpolierten und anodisierten Körper.
Fig. 3 Aufnahmen der Oberfläche des Körpers im Nanostrukturbereich. Fig. 4 Benetzungsmodell nach Cassie-Baxter.
Fig. 5 Einen zweiten Probekörper mit einer spiegelpolierten Vorderkante. Fig. 6 Einen zweiten Probekörper mit einer spiegelpolierten, anodisierten und hydrophobierten Vorderkante.
Fig. 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 Figur 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 Beizlösung gebeizt werden, um
prozessbedingte Kontaminationen zu entfernen und eine reproduzierbare
Ausgangsoberfläche zu erzeugen. Der in Figur 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 Figur 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 Figur 3 in Form zweier Aufnahmen mit einem Rasterelektronenmikroskop in
unterschiedlichen Auflösungen.
Der wasserabweisende Charakter kann anhand der Messung des in Figur 4 dargestellten Kontaktwinkels 0CB bestimmt werden. Hier ist ein Substrat 2 gezeigt, welches eine poröse Oberfläche 4 aufweist, auf der ein Wassertropfen 6 aufliegt. Der Kontaktwinkel 0CB 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 GCB 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 0 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 RA-Werte für vier verschiedene Proben (a), (b), (c) und (d) mit unterschiedlichen
Elektrolyttemperaturen und Anodisierungsspannungen verändern:
Probe (a) (b) (c) (d)
Ra [μηι] 0,02 +/- 0,002 0,073 +/- 0,005 0,077 +/- 0,005 0,07 +/- 0,007
CAA Π 151 ,5 +/- 1 ,21 160,6 +/- 0.59 158,6 +/- 0,56 160,0 +/- 0,37
CAR Π 136,3 +/- 1 ,48 158,1 +/- 0.14 155,8 +/- 0,21 156,5 +/- 0,47
CAH [°] 15,2 2,5 2,9 3,5
Spannung [V] 18 18 18 22
Temperatur [°C] 20 26 30 26 Die Probe (a) weist etwa den geringsten Wert von Ra auf, der bei 0,02 pm ± 0,002 μηι 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 Figuren 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. Figur 5 zeigt eine spiegelpolierten
Vorderkante, während in Figur 6 eine spiegelpolierte und anodisierte Vorderkante zu sehen ist. Figur 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 Fig. 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.

Claims

Patentansprüche
1. 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.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Schritt des Polierens das
Spiegelpolieren umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das metallische Substrat nach dem Polieren in einer Beizlösung gebeizt wird, bis ein Spiegelglanz entsteht.
4. 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.
5. 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.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Elektrolytlösung eine wässrige Lösung mindestens eines Salzes, insbesondere mindestens eines Ammoniumsalzes, aufweist.
7. 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.
8. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Schritt des Aufbringens einer hydrophobierenden Beschichtung das Aufbringen einer Lösung umfasst, die Fluorsilane oder Fluorpolyether aufweist.
9. 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.
10. Metallisches Substrat mit einer wasser- und eisabweisenden Beschichtung erhältlich durch das Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9.
11.Metallisches Substrat gemäß Anspruch 10, wobei die Oberfläche des
Substrats mit wasser- und eisabweisender Beschichtung einen
Kontaktwinkel (9CB) zu Wasser von mehr als 150° aufweist.
12. Verwendung eines metallischen Substrats mit wasser- und eisabweisender Beschichtung gemäß Anspruch 10 oder 11 zum Schutz gegen Vereisung an einem Fluggerät.
13. Verwendung nach Anspruch 12, wobei die wasser- und eisabweisende Beschichtung mindestens an einer Vorderkante mindestens einer
Strömungsfläche des Fluggeräts angeordnet ist.
14. Verwendung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die wasser- und
eisabweisende Beschichtung mit einem hybriden Enteisungssystem kombiniert wird.
15. Fluggerät, aufweisend mindestens eine Strömungsfläche, die mindestens an ihrer Vorderkante ein metallisches Substrat nach einem der Ansprüche 10 und 11 aufweist.
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