JP2017510717A - 水および氷をはじく特性を有する磨かれたナノ構造金属表面の製造方法ならびに使用 - Google Patents
水および氷をはじく特性を有する磨かれたナノ構造金属表面の製造方法ならびに使用 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2017510717A JP2017510717A JP2016574331A JP2016574331A JP2017510717A JP 2017510717 A JP2017510717 A JP 2017510717A JP 2016574331 A JP2016574331 A JP 2016574331A JP 2016574331 A JP2016574331 A JP 2016574331A JP 2017510717 A JP2017510717 A JP 2017510717A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- metallic substrate
- ice
- water
- substrate
- coating
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
- C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
- C25D11/02—Anodisation
- C25D11/04—Anodisation of aluminium or alloys based thereon
- C25D11/18—After-treatment, e.g. pore-sealing
- C25D11/24—Chemical after-treatment
- C25D11/246—Chemical after-treatment for sealing layers
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
- C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
- C25D11/02—Anodisation
- C25D11/04—Anodisation of aluminium or alloys based thereon
- C25D11/06—Anodisation of aluminium or alloys based thereon characterised by the electrolytes used
- C25D11/08—Anodisation of aluminium or alloys based thereon characterised by the electrolytes used containing inorganic acids
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENTS OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
- B64D15/00—De-icing or preventing icing on exterior surfaces of aircraft
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENTS OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
- B64D15/00—De-icing or preventing icing on exterior surfaces of aircraft
- B64D15/12—De-icing or preventing icing on exterior surfaces of aircraft by electric heating
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENTS OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
- B64D15/00—De-icing or preventing icing on exterior surfaces of aircraft
- B64D15/16—De-icing or preventing icing on exterior surfaces of aircraft by mechanical means
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
- C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
- C25D11/02—Anodisation
- C25D11/04—Anodisation of aluminium or alloys based thereon
- C25D11/06—Anodisation of aluminium or alloys based thereon characterised by the electrolytes used
- C25D11/10—Anodisation of aluminium or alloys based thereon characterised by the electrolytes used containing organic acids
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
- C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
- C25D11/02—Anodisation
- C25D11/04—Anodisation of aluminium or alloys based thereon
- C25D11/16—Pretreatment, e.g. desmutting
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
- C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
- C25D11/02—Anodisation
- C25D11/04—Anodisation of aluminium or alloys based thereon
- C25D11/18—After-treatment, e.g. pore-sealing
- C25D11/24—Chemical after-treatment
Abstract
本発明は、金属的基板上の水および氷をはじく表面を製造する方法であって、a)金属的基板を提供するステップ、b)前記金属的基板を研磨するステップ、c)前記金属的基板の少なくとも一部を電解質溶液と接触させるステップ、d)前記基板表面上にナノ多孔質層を生じさせるためにステップc)の前記金属的基板を陽極酸化させるステップ、および、e)前記ナノ多孔質層上に疎水コーティングを塗布するステップ、を含む、方法に関する。これにより、特に流れにさらされる航空機の表面上の氷の累積は、先行技術との比較において減少する。【選択図】なし
Description
本発明は、ナノ構造酸化被膜を有する水および氷をはじく表面を有し、その上に撥水コーティングが配置される、金属的基板上の水および氷をはじく表面の製造方法、ならびに、着氷保護のための航空機上の金属的基板の使用に関する。
航空機(例えば、飛行機またはヘリコプター)では、直接または間接に気流にさらされる流れ面は、特定の飛行状況において着氷しがちである。流れ面上につくられる氷は、航空機の重量を増加させて、空気力学に不利に影響する。そうすると、最悪の場合、流れの剥離およびしたがってリフトの減少は発生する場合がある。氷の蓄積は、種々の手段(「氷結防止」)によって防止されてよく、すでに蓄積された氷を除去することができる(「除氷」)方法および装置は、公知である。
蓄積される水の氷結を防止するために、例えば、エンジンからのブリードエアによって流れ面の前縁を暖めることは、公知である。しかしながら、ブリードエアの除去は、エンジン出力の減少をともない、エネルギー効率のために回避されなければならない。
さらに、すでに造られた氷をそこから吹き飛ばすために、着氷しがちな表面領域に膨張可能なボディを配置することは、公知である。しかしながら、この種のボディの表面性状は制限され、そして、有効な作動(operation)を達成するために、特定の氷の層を許容することが必要である。
着氷しがちな流れ面での電気的に作動される加熱マットの使用も、公知である。加熱マットは、能動的に氷を除去するかまたは氷の蓄積を防止する。特に高い流速で、充分な加熱力を提供することが可能であるためにかなりの電力量が必要とされる。さらに、特により小型の航空機または無人の空中乗り物への統合は、高い効果が付随する。
加えて、限られたタンク・サイズに起因して限られた作動期間においてのみ実行されてよい、着氷しがちな流れ面での除氷流体の連続的分配をともなう化学プロセスは、公知である。加えて、除氷流体の重量は、経済効率において考慮されなければならない。
特許文献1から、酸化チタンナノチューブに基づく自己洗浄および超疎水性の表面を製造することは、公知である。ここで、金属的基板上の自己洗浄特性を有する超疎水性コーティングの製造方法、かかる方法により生産可能な超疎水性コーティングおよび自己洗浄特性を有する金属的基板、および、自己洗浄特性を有する超疎水性コーティングを生産するための硫酸アンモニウムおよびフッ化アンモニウムを含む電解質溶液の使用が提案される。これのために、チタン合金でできている表面は扱われる表面である。そうすると、ナノチューブの適用によるナノ構造はつくられる。このように、自己洗浄効果および超疎水特性はつくられる。
特許文献2には、レーザーによってサブマイクロメートル範囲の構造表面を製造することが開示されている。
本発明の目的は、可能な限りの水および氷をはじく表面の製造を行う、金属的基板の表面を処理するための改良された、代わりの方法を提案することである。その方法は、大規模において好ましくは確実にそして経済的に可能でなければならない。
この目的は、独立請求項1の特徴を有する方法によって対処される。有利な実施形態およびさらなる改良は、下位請求項および以下の説明から集められることができる。
金属的基板上の水および氷をはじく表面を製造する方法は、a)金属的基板を提供するステップ、b)前記金属的基板を研磨する(polishing)ステップ、c)前記金属的基板の少なくとも一部を電解質溶液と接触させるステップ、d)前記基板表面上にナノ多孔質層を生じさせるためにステップc)の前記金属的基板を陽極酸化させるステップ、および、e)前記ナノ多孔質層上に疎水コーティングを塗布するステップ、を含む。
研磨は、非常に滑らかな金属的表面を生じさせるのに役立つ。そこでは、基板表面のマクロ構造的なおよびミクロ構造的な範囲におけるほとんどすべての欠陥が取り除かれて、基板表面は輝く。好ましくは、研摩するステップは、鏡面研磨として実現される。そこでは、基板表面は、強烈な鏡面仕上げ/光沢を得る。研磨を通じて、氷への水および水滴の氷結が、マクロ構造的なおよびミクロ構造的な範囲において凹所または空洞に深く入りこむことができないことが確実にされる。したがって、氷の累積のための基本的付着メカニズムの1つとしての基板表面上の氷の機械的固着は、完全に除去されてよい。研摩するステップの成功は、表面粗さを決定するための市販の利用可能な計器によって、粗さ測定を通じて実験的に証明されてよい。
研磨は、異なる適切な方法を通じて達成されてよい。それらの方法は、特に、次第により微細な研磨体を用いるサンダー掛けを通じて材料のその後の除去によって特徴づけられる。そしてそれは、固体担体(例えば布または紙)に最初は密接に結びつく。研磨プロセスを終える最終ステップにおいて、液体で研磨する懸濁液が使用されてよい。懸濁液は、特に柔らかい布を用いる材料へと働く。
鏡面研磨プロセスにおいて例示的に約0.02±0.002μmのノルム算術平均粗さRaを有する所望の粗さを達成した後、基板は、例示的にサンダー掛けまたは研磨の残留物および/またはポリッシング懸濁液を取り除くために適したアルコールまたは他の流体によって、清掃されてよい。
氷の付着に関して、機械的固着の付着メカニズムの他にも、静電力による氷と固体の基板表面との間の引力は、2つの固体間の基本的付着メカニズムと考えられる。基板表面が疎水特性および、せいぜい超疎水特性を有するナノ構造から成るにつれて、静電引力は、かなり最小化されてよい。本発明による方法の文脈において、マクロ構造的なおよびミクロ構造的な欠陥を取り除いた後、電気化学的プロセスによって金属的基板表面上に定義済みナノ構造が生じることを、これは、意味する。
そのマクロ構造およびミクロ構造に関して鏡面研磨された基板表面を再び粗くする(氷の付着に負に影響する)ことなしに定義済みナノ構造を生産することは、陽極酸化ステップの基本的態様である。ナノ構造の作成は、基板表面の水との濡れ挙動にとって特に重要である。キャシー−バクスターの濡れモデルによれば、水滴および氷に凍りついている水滴は、それぞれ、水の表面張力に起因して、表面に作成されるナノ構造に深く入りこむことができない。水滴は、それぞれ、90°を越える(疎水性)および150°を越える(超疎水性)接触角を有する疎水性のおよびせいぜい超疎水性の表面挙動と考えられるべき、表面の表層ピークおよびナノ細孔上に、むしろある。
陽極酸化プロセスを終えた後に、粗さは、実験的に検証されなければならない。たとえば、ノルム算術平均粗さ値Raは、0.02〜1.5μmの範囲、特に0.1μm未満になければならない。
その後、最後のプロセスステップにおいて、化学溶液を用いて基板表面上に作成されるナノ構造の濡れは、実行される。そしてそれは、表面を疎水性にすることを目指す。塗布は、ディップ・コーティングプロセスを通じて実行されてよい。疎水性溶液(例えばフルーア・シランまたはフルーア・ポリエーテル)と陽極酸化プロセスを通じて生じるナノ構造の酸化コーティングとの間の化学反応に起因して、超疎水表面は、つくられる。このプロセスを通じて生じる接触角(水)は、150〜163°の範囲にある。
要約すると、本発明による方法は、ナノスコピック・スケールだけで表面を粗くすることを創造する。そこでは、マイクロスコピック・スケールでの表面粗さは変えられなくて、まだ非常に滑らかである。疎水性コーティングと組み合わされるナノ構造の低い細孔寸法(好ましくは100ナノメートル未満。特に、10〜40ナノメートルの間)は、水の表面張力に起因して基板表面上の水滴の浸透(penetration)を防止する。そうすると、氷の付着はかなり減少する。結果的に、金属的基板の表面のこの処理を通じて、金属的基板の着氷は、かなり防止されてよい。航空機(この方法が実行される)の機上の除氷装置用にまたは氷結防止装置用に使用するエネルギーは、本発明により処理される表面を備えていない航空機と比較して、かなり減少してもよい。
本発明の文脈において、金属から完全に成る、またはその表面上に金属層を備える、あらゆる基板は、「金属的基板」と考えられてよい。用語「金属」および「金属的」は、純金属に必ずしも関するというわけではなくて、金属および金属合金の混合物を含んでもよい。
本発明による方法は、金属的基板に適用されてよい。金属的基板は、適用の範囲がそれに制限されない場合であっても、アルミニウムを含む。好ましくは、本発明による方法は、金属的基板に適用される。そしてそれは、アルミニウムを含む。あるいは、金属的基板は、アルミニウム合金を含む。
有利な実施形態では、金属的基板は、アルミニウム合金である。そこでは、合金は、好ましくは加えて、Cr、Cu、Fe、Mg、Mn、Si、Ti、Zn、Sc、Ag、Liから成る群から選択される少なくとも1つのさらなる金属を含む。この種のアルミニウム合金は、航空機のための流れ面を製造するために好ましくは適している。例示的に、このアルミニウム合金は、リチウム、マグネシウムおよびシリコンを加えて含んでよい。
好ましい実施形態では、合金中のアルミニウムの量は、合金の全重量に関して、少なくとも80重量パーセント、例示的に80〜98重量パーセントを含んでよい。
陽極酸化のために使用する電解質溶液は、少なくとも1つの酸を特に都合よく含む。そこでは、電解質溶液は、もちろん、酸の混合物として実現されてもよい。例示的に、電解質溶液は、少なくとも1つの鉱酸(例えばリン酸および/または硫酸)を含んでよい。電解質溶液は、特にリン酸および硫酸の混合物から成ってよい。そして、リン酸対硫酸の混合比は、8:1〜1:8の範囲、好ましくは3:2を含んでよい。あるいは、電解質溶液は、少なくとも1つの有機酸(例えばシュウ酸)を含んでよい。
加えて、電解質溶液は、異なる塩類を有する水溶液に基づいてもよい。特に、そこに含まれる塩類、特に好ましくはフッ化物を含む塩類を有する水性電解質溶液を使用することは、考えられる。有利な実施形態では、電解質溶液は、少なくとも1つの塩、特に少なくとも1つのアンモニウム塩の水溶液を含む。
特に都合よく、すなわち陽極酸化の直前に、金属的基板の表面は、研磨(polishing)後に前処理される。実施形態では、基板表面は、アルカリ性の非腐食性清浄浴において脱脂される。その後、鏡面仕上げを確実にするために、1〜20分の期間、特に2〜5分の間、基板表面は、瞬間的に酸洗液に浸漬されてよい。好ましい実施形態では、酸洗液は、異なる酸または浸出からの混合物によって、特に硝酸、フッ化水素酸および水からの混合物を用いて実現されてよい。
加えて、基板表面は、特定の以前のプロセスステップの間と同様に陽極酸化ステップに続いて完全に鉱物質を除去された純水によって清掃されてよい。
特に有利な実施形態によれば、基板表面のための疎水コーティングは、基板表面が接触をもたらされる溶液によって生じる。これは、一般の塗布プロセス(例えば浸漬、遠心分離、フローコーティング、ブラッシングまたは吹付け)によって実行されてよい。その後清掃のためのイソプロピルアルコールを使用するために、それぞれ、0.5〜20分間、そして特に3〜8分間、基板表面を溶液に浸漬することは、提案される。例示的に30〜90℃、そして特に50〜70℃のわずかに高い温度でその後基板表面を熟成させるために、両方の塗布/洗浄ステップは、何回も、好ましくは2回、実行されてよい。
「疎水コーティング」または「疎水化コーティング」は、コーティングとして解釈されるべきである。そしてそれは、ナノ構造表面と組み合わされて、水をはじく特性ならびに水に対する150〜163°の範囲の接触角を作成する。超疎水材料と液体との間の反発作用に起因して、小さい接触面を有する液滴が発生する。そしてそれらは、それぞれ、表面を容易に走るかまたは表面から転がり去る。加えて、この種のコーティングは、空気中のまたは雨水中のほこりおよびガス・パーツ(例えば、それぞれ、SO2、NOx、塩類および吸湿性塵、または塩化物、硫化物、硫酸塩または酸および昆虫の残留物)をはね返す。超疎水性の基板表面と汚染との間の小さい接触面によって、付着は、妨げられる。全体で、水および氷をはじく他に、金属的基板は、汚染を減らすこともできる。
本発明は、本発明による方法を通じて設けられる水および氷をはじくコーティングを有する金属的基板にも関する。水および氷をはじくコーティングを有する金属的基板の表面が150°を越える(超疎水性)の水接触角を含むことは好ましい。
本発明による方法を通じて設けられる超疎水コーティングを有する金属的基板は、特に航空機(例えば飛行機およびヘリコプター)において展開されてよい。超疎水コーティングおよび自己清掃特性を有する本金属的基板は、地上車両、鉄道車両または船舶において展開されてもよい。
本発明は、さらに、航空機上の着氷からの保護のための超疎水コーティングを有する金属的基板の使用に関する。
方法の実施形態は、方法ならびに使用によって入手できる金属的基板にもあてはまる。そして、逆もまた同じである。
にもかかわらず、航空機の着氷からの保護のための(超)疎水コーティングを有する金属的基板の使用は、氷の累積を防止(「氷結防止」システム)するための、または、累積した氷を除去(「除氷」システム)するための能動的デバイスが一般の作動原理に基づいて展開されることを排除しない。上記のように金属的基板の表面を処理することによって、氷結防止または除氷システムの一次エネルギーの要件を減らすことに、本発明による方法の一態様がある。例示的に、金属的基板が流れボディの前縁である場合に、金属的基板を加熱するかまたはわずかに変形させるためのデバイスは、前縁の内部において、例示的に電熱的なおよび/または電子機械的な氷結防止または除氷システムの形で、集積されてよい。
本発明は、したがって、航空機のハイブリッド除氷システムに関してもよい。そしてそれは、受動的コンポーネントとして前述したような表面コーティングを有する金属的基板ならびに少なくとも1つの能動的除氷デバイスを含む。特に好ましくは、少なくとも1つの能動的除氷デバイスは、氷の累積を防止するための、または累積した氷を除去するための電熱的除氷装置、および、累積した氷を機械的に除去するための機械的除氷装置を含む。この種の除氷装置は、欧州特許出願EP 13 005 342から達成できる。
ハイブリッド除氷システムの能動的に働くそして例えば周期的に操作可能なコンポーネント(そのコンポーネントは、非常に少量のエネルギーを消費する)として、電子機械的サブシステムが考えられる。そしてそれは、累積した氷を除去するために、単に金属的基板のわずかな変形を実行するだけである。減少した付着力に起因して、このための力の要求は、先行技術の除氷装置と比較して明らかにより小さい。
陽極酸化プロセスのパラメータの細密調整は、実験を通じて確認されてよい。このプロセスにおいて生じる水および氷をはじく表面コーティングの氷の付着の特性は、電気力学的な永久磁石オシレータによる動的試験を通じて実行されてよい。振動試験の実行のために、水および氷をはじくコーティングを有する表面を有する定義済みのサイズのサンプルは、プローブを使用する航空機の飛行のための関連した現実的な氷結条件の下で、着氷風洞に入れられる。それから、凍ったサンプルは、低温室内においてオシレータに固定される。そして、サンプルの第1の共振周波数付近の振動が励起される。サンプルの側部(それは氷の反対側にある)に接着される歪計を通じて、振動励起中、サンプルの歪みは、継続的に検出される。氷層の除去は、歪みの振幅における突然のステップによって決定されてよい。そしてそれは、サンプルからの氷の部分的なまたは完全な除去に起因して、金属および氷のサンプル・コンポジットの剛性の変化から生じる。
接触角を測定する他に、水および氷をはじく特性の確認において、表面粗さRaを決定することは、さらに重要である。したがって、陽極酸化のための不利なプロセス・パラメータが選択されることは、防止されてよい。そしてそれは、前に磨かれた表面がマクロスコピック・スケールで粗くなることに至る。
以下において、例示的実施形態は、添付図を参照して述べられる。
初めに金属的基板上の水および氷をはじくコーティングを生じるために、被覆されるボディは、非メッキのアルミニウム合金2024−T3から提供される。そしてそれは、図1に示される。方法を確認するために、例示的に、1.6mmの厚みを有する平坦なサンプルボディが使用され、それはミクロ構造スケールで明らかな最初の表面トポロジを有する。
最初に、ボディは鏡面研磨される。そこにおいて、ボディは、次第により微細なサンドペーパーにより例示的に手動で扱われてよく、そしてその後、ビロードのディスク上のシリカ懸濁液(酸化物仕上げ懸濁液)で仕上げられる。その後、懸濁液および研摩残りは、アルカリ清浄剤によって表面から除去される。清浄剤(例えばアルコール)を高温(例えば65℃)で数分間(例えば5分間)働かせることによって、清掃は、実行されてよい。
その後、ボディは、プロセス関連の汚染を取り除くために、そして再生可能な開始表面をつくるために、酸洗液に漬けられてよい。図1に見られる鏡面仕上げは、ここで維持される。液漬けの後、ボディは、数分の長さにわたるリンスのような、完全に鉱物質を除去された水によって清掃される。
ナノ構造の作成は、陽極酸化を通してその後実行される。この目的のために、ボディは、電解液に浸漬されて、予め定められた温度および予め定められた陽極酸化電圧で陽極処理される。リン酸および硫酸からの混合物が用いられる場合、陽極酸化電圧は、5〜50Vの範囲に、好ましくは18Vと22Vとの間にあってよく、温度は、20〜40℃の範囲に、好ましくは22℃と28℃との間にあってよい。結果として生じる表面(わずかにより艶消し面に見える)は、図2に示される。
その後、疎水化コーティング(例えばフルーア・シランまたはフルーア・ポリエーテル)を有するコーティングは、好ましくは浸漬プロセスを通して行われる。
ナノメートルスケールの表面構造は、そこから結果としてなる、異なる解像度を有する走査電子顕微鏡写真によって作られる2枚の画像の形の図3に示される。
水をはじく特性は、図4に示される接触角θCBの測定を通じて決定されてよい。ここで、基板2は示される。そしてそれは、その上に水滴6が静止する多孔面4を含む。接触角θCBは、水滴6と水滴6用の接触面としての表面4との間の角度である。接触角は、液体を用いて固体を濡らす能力のための手段である。
接触角θCBは、静的接触角である。加えて、動的接触角は測定されてよい。そしてそれは、特に前進接触角(CAA−contact angle advancing)および後退接触角(CAR−contact angle receding)に分けられる。液体と固体との間の前進接触角は、濡れプロセスの間、接触角であるとみなされる。その類似において、後退接触角は、非濡れの間、測定されるべきである。
氷の付着を参照すると、特にヒステリシスは、表面の濡れ挙動の重要な基準である。これは、前進接触角と後退接触角との違いとして算出される。下で説明される陽極酸化パラメータおよびナノ構造上に塗布される過フルオロエーテル−コーティングのために、計測学的に証明可能な160.6±0.59°の前進接触角および158.1±0.14°の後退接触角そしてしたがって2.5°のヒステリシスは、実現されることができる。
水および氷をはじく特性を評価するために、矩形の断面を有する平坦なサンプルボディ(そのサンプルボディは、前述の方法ステップ(a)〜(c)によってできた)は、前述の振動試験を用いて検討される。
この文脈において、水および氷をはじく、表面コーティングされたアルミニウムベース基板上に、界面における氷が0.008±0.001MPaの付着力を有することを発見されることができた。その一方で、単に鏡面研磨されたアルミニウムサンプル上に、氷は0.018±0.001MPaの付着力を有する。このように、陽極酸化および表面コーティングを通じて、50%以上の界面における氷の付着の減少が達成される。
さらに、電解質溶液(すなわちリン酸および硫酸の混合物)として特にリンを含む硫酸(この場合3:2の硫酸対リン酸の混合比から成る)を使用する場合、粗さは、陽極酸化電圧および電解質溶液の温度の変化を通じて影響されてよい。異なる電解質温度および異なる陽極酸化電圧を有する4つの異なるサンプル(a)、(b)、(c)および(d)のための平均Ra値がどのように変化するかが以下の表に示される。
サンプル(a)は、最も低いRa値(0.02μm±0.002μm)を占める。比較として、接触角ヒステリシス(CAH(「contact angle hysteresis」)として参照される)は、15.2°で最大である。前進接触角(CAA)は、151.5°±1.21°であり、後退接触角(CAR)は、136.3°±1.48°である。サンプル(a)は、20℃の電解質溶液の温度で18Vの電圧で陽極処理された。
陽極酸化電圧は、サンプル(b)および(c)のために維持される。その一方で、サンプル(d)は、22Vの陽極酸化電圧で処理された。(b)および(d)での電解質温度は、26℃で同じであり、サンプル(c)は、30℃の電解質温度で処理された。結果として生じる接触角、ヒステリシスおよび粗さの値は、上記の表から集められることができる。
この検討から、160.6°±0.59°の接触角、158.1°±0.14°の後退接触角および、結果的に2.5°のヒステリシスに起因して、サンプル(b)が最善の氷をはじく挙動を有することが分かってよい。これは、ナノ細孔の低密度に起因する。陽極酸化プロセスにおいて電解質溶液の温度を上昇させることによって、ナノ細孔の密度が増加するように表面形態は影響され、そして、孔自体は大きくなりすぎる傾向がある。
図5および図6には、代わりのサンプルボディが示される。図5および図6に示すサンプルボディは、着氷にさらされる表面領域において部分的に表面処理されるだけであり、および、翼形の一方と類似している断面から成り、そして実質的に中空の前縁から成る。図5は、鏡面研磨された前縁を示す。その一方で、図6は、鏡面研磨されて、および陽極処理された前縁を示す。
図7は、それぞれ、航空機または図6からのサンプルボディの流れ面の前縁12における電熱除氷装置8および2つの機械式除氷装置10の統合を示す。除氷装置8および10ならびに前縁12の有利な表面コーティングは、これにより、ハイブリッド除氷システムを提供する。前縁12の氷および水をはじく表面コーティングによって、氷の累積(accretion)は、未処理の前縁12と比較して大幅に減少してよい。そうすると、除氷装置8および10の一次エネルギーの要件は、減少することができる。
先に検討されたパラメータから、当業者は、適切な電解質溶液を選択した後の、そして、対処可能な値の範囲におけるプロセス・パラメータの変化を通じて、金属的基板の、特に流れ面の前縁のための、表面形態のための理想的な結果を達成するための参照を結果的に得る。これにより、例えばハイブリッド除氷システムにおいて、氷を除去するために必要な一次エネルギーにとっての結論は、得られうる。
Claims (15)
- 金属的基板上の水および氷をはじく表面を製造する方法であって、
(a)金属的基板を提供するステップ、
(b)前記金属的基板を研磨するステップ、
(c)前記金属的基板の少なくとも一部を電解質溶液と接触させるステップ、
(d)前記基板表面上にナノ多孔質層を生じさせるためにステップ(c)の前記金属的基板を陽極酸化させるステップ、および、
(e)前記ナノ多孔質層上に疎水コーティングを塗布するステップ、
を含む、方法。 - 前記研摩するステップは、鏡面研磨を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記金属的基板は、鏡面仕上げが得られるまで、研磨後に酸洗液に漬けられる、請求項1または2に記載の方法。
- 前記金属的基板は、アルミニウム合金であり、好ましくは加えて、Cr、Cu、Fe、Mg、Mn、Si、Ti、Zn、Sc、Li、Agから成る群から選択される少なくとも1つのさらなる金属を含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
- 前記電解質溶液は、少なくとも1つの酸、特に少なくとも1つの鉱酸、または少なくとも1つの有機酸、または少なくとも1つの鉱酸および少なくとも1つの有機酸の混合物、を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
- 前記電解質溶液は、少なくとも1つの塩の、特に少なくとも1つのアンモニウム塩の、水溶液を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
- 前記金属的基板を陽極酸化させるステップは、20℃〜40℃の範囲の温度および5〜50Vの電圧での電解質溶液において実行される、請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。
- 疎水コーティングを塗布するステップは、フルーア・シランまたはフルーア・ポリエーテルを含む溶液を塗布することを含む、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。
- 前記金属的基板を前記電解質溶液と接触させるステップおよび/または前記ナノ多孔質層上に前記疎水コーティングを塗布するステップは、浸漬、遠心分離、フローコーティング、ブラッシングまたは吹付けを通じて実行される、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。
- 請求項1〜9の少なくとも1項に記載の方法を通じて入手できる水および氷をはじくコーティングを有する金属的基板。
- 水および氷をはじくコーティングを有する前記基板の表面は、150°を越える水に対する接触角(θCB)を含む、請求項10に記載の金属的基板。
- 着氷に対する保護のための航空機上における請求項10または11に記載の水および氷をはじくコーティングを有する金属的基板の使用。
- 前記水および氷をはじくコーティングは、前記航空機の少なくとも1つの流れ面の少なくとも前縁に配置される、請求項12に記載の使用。
- 前記水および氷をはじくコーティングは、ハイブリッド除氷システムと組み合わされる、請求項12または13に記載の使用。
- 請求項10および11のうちの1つに記載の金属的基板を含む少なくともその前縁で少なくとも1つの流れ面を含む、航空機。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102014003508.5 | 2014-03-14 | ||
DE102014003508.5A DE102014003508A1 (de) | 2014-03-14 | 2014-03-14 | Verfahren zur Herstellung sowie Verwendung einer polierten nanostrukturierten metallischen Oberfläche mit wasser- und eisabweisenden Eigenschaften |
PCT/DE2015/000109 WO2015135521A1 (de) | 2014-03-14 | 2015-03-11 | Verfahren zur herstellung sowie verwendung einer polierten nanostrukturierten metallischen oberfläche mit wasser- und eisabweisenden eigenschaften |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2017510717A true JP2017510717A (ja) | 2017-04-13 |
Family
ID=53268561
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2016574331A Pending JP2017510717A (ja) | 2014-03-14 | 2015-03-11 | 水および氷をはじく特性を有する磨かれたナノ構造金属表面の製造方法ならびに使用 |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20170002475A1 (ja) |
EP (1) | EP3117029A1 (ja) |
JP (1) | JP2017510717A (ja) |
DE (1) | DE102014003508A1 (ja) |
WO (1) | WO2015135521A1 (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015071826A (ja) * | 2013-09-09 | 2015-04-16 | 日本ケミコン株式会社 | アルミニウムの表面処理方法およびアルミニウム表面処理材 |
KR102472478B1 (ko) * | 2022-04-28 | 2022-11-30 | 제재형 | 소방헬기용 벨리탱크의 결빙방지 시스템 |
JP7442807B2 (ja) | 2020-06-09 | 2024-03-05 | 東京都公立大学法人 | 突起構造制御装置および突起構造制御方法 |
Families Citing this family (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10822097B2 (en) * | 2018-02-15 | 2020-11-03 | Booz Allen Hamilton Inc. | Ice formation detection and removal system for an aerial vehicle and method |
FR3084648B1 (fr) * | 2018-08-03 | 2020-07-17 | Safran Nacelles | Procede de traitement contre le givre de piece d’aeronef |
CN110510102B (zh) * | 2019-08-16 | 2022-06-17 | 南京航空航天大学 | 一种可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料 |
EP3916135A1 (en) | 2020-05-26 | 2021-12-01 | Airbus (S.A.S.) | Method for modifying a metallic surface, such as a leading edge portion of an airfoil |
CN113318948B (zh) * | 2021-05-21 | 2022-07-08 | 南京航空航天大学 | 可精准调控表面超疏水特性的极耐磨功能织构的制备方法 |
CN113604852B (zh) * | 2021-07-30 | 2022-12-20 | 广东工业大学 | 一种用于橡胶模具的抗粘附表面及其制备方法和应用 |
CN113684526A (zh) * | 2021-09-18 | 2021-11-23 | 北京理工大学 | 具有超疏水表面结构的高熵合金材料及其制备方法 |
CN114737186A (zh) * | 2022-05-11 | 2022-07-12 | 新疆大学 | 一种应用于电力设备表面防结冰的结构化超疏水涂层 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6652669B1 (en) * | 1998-12-24 | 2003-11-25 | Sunyx Surface Nanotechnologies Gmbh | Method for producing an ultraphobic surface on an aluminum base |
CN101423945A (zh) * | 2007-11-02 | 2009-05-06 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种轻质金属超疏水表面的制备方法 |
WO2013091601A2 (de) * | 2011-12-22 | 2013-06-27 | Eads Deutschland Gmbh | SELBSTREINIGENDE UND SUPERHYDROPHOBE OBERFLÄCHEN AUF BASIS VON TiO2-NANOTUBES |
WO2013180119A1 (ja) * | 2012-05-30 | 2013-12-05 | 三菱レイヨン株式会社 | モールドの製造方法および微細凹凸構造を表面に有する成形体の製造方法 |
US20140011020A1 (en) * | 2010-12-14 | 2014-01-09 | Tobias Mertens | Promoting the adhesion of a surface of a titanium material |
US20140349137A1 (en) * | 2011-12-20 | 2014-11-27 | Eads Deutschland Gmbh | Method for Structuring and Chemically Modifying a Surface of a Workpiece |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19734973A1 (de) * | 1997-08-13 | 1999-02-25 | Hoechst Ag | Edelmetallcluster enthaltende nano-poröse Aluminium-oxid-Membranen |
DE19860137C2 (de) * | 1998-12-24 | 2002-07-18 | Sunyx Surface Nanotechnologies | Verfahren zur Herstellung einer ultraphoben Oberfläche auf Basis von strukturiertem Aluminium und deren Verwendung |
DE102007004570A1 (de) * | 2007-01-30 | 2008-07-31 | Daimler Ag | Glänzende Beschichtungen für Aluminium- oder Stahloberflächen und deren Herstellung |
EP2873617B1 (de) | 2013-11-13 | 2020-07-01 | Airbus Defence and Space GmbH | Vorrichtung und Verfahren zur Enteisung und/oder Vermeidung von Eisbildung sowie Profilkörper und Luftfahrzeug mit einer solchen Vorrichtung |
-
2014
- 2014-03-14 DE DE102014003508.5A patent/DE102014003508A1/de not_active Withdrawn
-
2015
- 2015-03-11 US US15/125,775 patent/US20170002475A1/en not_active Abandoned
- 2015-03-11 WO PCT/DE2015/000109 patent/WO2015135521A1/de active Application Filing
- 2015-03-11 EP EP15724928.5A patent/EP3117029A1/de not_active Withdrawn
- 2015-03-11 JP JP2016574331A patent/JP2017510717A/ja active Pending
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6652669B1 (en) * | 1998-12-24 | 2003-11-25 | Sunyx Surface Nanotechnologies Gmbh | Method for producing an ultraphobic surface on an aluminum base |
CN101423945A (zh) * | 2007-11-02 | 2009-05-06 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种轻质金属超疏水表面的制备方法 |
US20140011020A1 (en) * | 2010-12-14 | 2014-01-09 | Tobias Mertens | Promoting the adhesion of a surface of a titanium material |
US20140349137A1 (en) * | 2011-12-20 | 2014-11-27 | Eads Deutschland Gmbh | Method for Structuring and Chemically Modifying a Surface of a Workpiece |
WO2013091601A2 (de) * | 2011-12-22 | 2013-06-27 | Eads Deutschland Gmbh | SELBSTREINIGENDE UND SUPERHYDROPHOBE OBERFLÄCHEN AUF BASIS VON TiO2-NANOTUBES |
WO2013180119A1 (ja) * | 2012-05-30 | 2013-12-05 | 三菱レイヨン株式会社 | モールドの製造方法および微細凹凸構造を表面に有する成形体の製造方法 |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015071826A (ja) * | 2013-09-09 | 2015-04-16 | 日本ケミコン株式会社 | アルミニウムの表面処理方法およびアルミニウム表面処理材 |
JP7442807B2 (ja) | 2020-06-09 | 2024-03-05 | 東京都公立大学法人 | 突起構造制御装置および突起構造制御方法 |
KR102472478B1 (ko) * | 2022-04-28 | 2022-11-30 | 제재형 | 소방헬기용 벨리탱크의 결빙방지 시스템 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US20170002475A1 (en) | 2017-01-05 |
DE102014003508A1 (de) | 2015-09-17 |
WO2015135521A1 (de) | 2015-09-17 |
EP3117029A1 (de) | 2017-01-18 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2017510717A (ja) | 水および氷をはじく特性を有する磨かれたナノ構造金属表面の製造方法ならびに使用 | |
CN101484612B (zh) | 制造超疏水表面的方法以及具有通过该方法获得的超疏水表面结构的固体 | |
Kulinich et al. | The icephobic performance of alkyl-grafted aluminum surfaces | |
US20150299889A1 (en) | Self-Cleaning and Superhydrophobic Surfaces Based on TIO2 Nanotubes | |
US9303322B2 (en) | Metallic articles with hydrophobic surfaces | |
Kulinich et al. | On ice-releasing properties of rough hydrophobic coatings | |
US20070003705A1 (en) | Renewable superhydrophobic coating | |
CN103817059B (zh) | 铝超疏水表面的制备方法及其制品 | |
US20100187119A1 (en) | Cold spray and anodization repair process for restoring worn aluminum parts | |
Liang et al. | Facile fabrication of a flower-like CuO/Cu (OH) 2 nanorod film with tunable wetting transition and excellent stability | |
CN105951162A (zh) | 一种在金属基体上实现超亲水/超疏水润湿性图案的方法 | |
Belaud et al. | Development of nanostructured icephobic aluminium oxide surfaces for aeronautic applications | |
Laroche et al. | Silicone nanofilaments grown on aircraft alloys for low ice adhesion | |
Forooshani et al. | Superhydrophobic copper surfaces by shot peening and chemical treatment | |
Sooksaen et al. | Chemical treatment on aluminum alloy for hydrophobic surfaces | |
CN105969177A (zh) | 一种涂料组合物及其制备方法与应用 | |
EP2988881A2 (en) | Fabricating porous metallic coatings via electrodeposition and compositions thereof | |
TR201808256T4 (tr) | Buzlanmayan yüzeyler ve bunların imalatına yönelik usul. | |
CN113145418A (zh) | 超疏水材料的制备方法及超疏水材料 | |
Pant et al. | Enhanced slippery behavior and stability of lubricating fluid infused nanostructured surfaces | |
Rola et al. | Investigation of Si (hkl) surfaces etched in KOH solutions saturated with tertiary-butyl alcohol | |
EP3916135A1 (en) | Method for modifying a metallic surface, such as a leading edge portion of an airfoil | |
KR20100098072A (ko) | 극친수성 표면 가공 방법 및 이 방법에 의해 제조된 극친수성 표면을 가지는 금속 기재 | |
RU2640895C1 (ru) | Способ формирования структурированной поверхности на алюминии и его сплавах | |
KR101085177B1 (ko) | 극소수성 표면 가공 방법 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20170919 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20171219 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20180206 |