Oberflächenmodifikation durch Femtosekunden-Laser-Mikrostrukturierung : Entwicklung von Anti-Eis-Oberflächen für Luftfahrtanwendungen

Abstract

Vereisungen und Eisansammlungen in der Luftfahrt, insbesondere auf Flugzeugrümpfen und Tragflächen, verursachen erhebliche aerodynamische Leistungsverluste und stellen diverse Sicherheitsrisiken im Flugbetrieb dar. Gegenwärtig verwendete aktive Anti- und De-Icing Systeme weisen hohe Energieanforderungen auf und sind aufgrund der Gewichts- und Platzbeschränkungen der Luftfahrt in ihrer Anwendung limitiert. Die in dieser Diplomarbeit präsentierten passiven Anti-Icing Oberflächen, hergestellt durch Femtolaserstrukturierung in Kombination mit einer Kohlenstoff-Oberflächenbehandlung, stellen eine Möglichkeit dar, diese Herausforderungen in der Zukunft zu bewältigen. Neben den theoretischen Grundlagen im Bereich der Luftfahrtvereisung, den Benetzungseigenschaften von Oberflächen und der Femtolaserbearbeitung wurden in dieser Arbeit die superhydrophoben und eisabweisenden Eigenschaften der hergestellten Oberflächen ausführlich erläutert. Es wurden verschiedene Nano- und Mikrostrukturtypen (LIPSS, Grid, Dimple, Triangle) hergestellt sowie ihre physikalische Beschaffenheit und das daraus resultierende Benetzungs- und Eishaftungsverhalten auf Edelstahlproben durch Kontaktwinkel- und Eisadhäsionsmessungen untersucht. Nach der Laserstrukturierung wurden die Nano- und Mikrostrukturen entweder einer Vakuum- oder Benzinoberflächenbehandlung ausgesetzt, die zu einer raschen Umwandlung in superhydrophoben Benetzungseigenschaften führte. Diese beiden Methoden und das resultierende Verhalten wurden im Verlauf der Arbeit hinsichtlich verschiedener Aspekte verglichen und bewertet. Um die Eignung der hergestellten Oberflächen für den realen Einsatz auf Flugzeugoberflächen sicherzustellen, umfasst ein wesentlicher Teil dieser Arbeit chemische Korrosionsversuche dieser superhydrophoben Oberflächen, um Verschleißerscheinungen in Aceton oder Glykol zu untersuchen. Hierbei zeigte sich, dass die benzinbehandelten Proben im Vergleich zu den vakuumbehandelten Proben auch nach längerer Einlegezeit die hydrophobe Benetzbarkeit beibehalten konnten. Anderseits konnten die Proben beider Behandlungsmethoden Messwerte wie niedrige Abrollwinkel oder die niedrige Eisadhäsion nicht halten, jedoch konnten im Rahmen dieser Untersuchungen den hergestellten Oberflächen regenerative Eigenschaften nachgewiesen werden. Zusätzlich zeigten die Experimente, dass die Kontaktwinkelhysterese nicht direkt mit der Eisadhäsion korreliert. Im Anschluss an diese Korrosionstests wurden weitere ergänzende UV-Beständigkeitsuntersuchungen durchgeführt. Ebenfalls wurde die Auswirkung der Strukturtiefe auf die Korrosionsbeständigkeit und Umwandlungszeit analysiert. Dabei zeichnete sich ab, dass die Oberflächentopografie nicht nur die Benetzungs- und eisabweisenden Eigenschaften beeinflusst, sondern auch die chemische Umwandlung. Neben den beiden Kohlenstoff-Umwandlungsverfahren wurden zusätzlich die Effekte von Beschichtungen, einschließlich solcher auf Basis von HMDSO, auf den laserstrukturierten Oberflächen untersucht. In diesem Rahmen konnten außerordentlich gute Messwerte ermittelt werden, die eine optimistische Aussicht auf die Kombination von Nano- und Mikrostrukturen und zusätzlicher Beschichtungen zum Erreichen von superhydrophober Benetzungseigenschaften und niedriger Eisadhäsion liefert. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass eine zu dicke Schicht die superhydrophoben Eigenschaften negativ beeinflussen kann, indem sie die Nano- oder Mikrostrukturen überdeckt. Neben der vorrangigen Erzeugung der superhydrophoben Oberflächen auf Edelstahl, konnten im Rahmen der Arbeit ebenfalls erfolgreich LIPSS Strukturen auf Aluminiumproben hergestellt werden. Hierfür wurde eine Variation der verschiedenen Bearbeitungsparameter durchgeführt und die entsprechenden Bearbeitungsparameter zur LIPSS Herstellung auf Aluminium ausgewählt. Des Weiteren wurde eine Reihe an Fokusvariationen und Spotdurchmesser-Vermessungen auf Edelstahl erstellt, mithilfe derer die zukünftige Bearbeitungsparameterangabe vereinfacht wird. Abschließend wurde durch eine erneute Variation der Bearbeitungsparameter eine Vielzahl an LIPSS, Grid und Dimple Strukturen erzeugt und untersucht. Anhand dieser Vorversuche und Oberflächenaufnahmen wurden die interessantesten Strukturen und deren Bearbeitungsparameter ausgewählt, die die Basis für zukünftige Untersuchungen darstellen.

Icing and ice accumulation in aviation, particularly on aircraft fuselages and wings, result in significant aerodynamic performance degradation and pose various safety risks in flight operations. Currently employed active anti-icing and de-icing systems have high energy requirements and are constrained in their application due to weight and space limitations. The passive anti-icing surfaces presented in this thesis, produced through femtosecond laser structuring in combination with a carbon surface treatment, represent a possible solution for overcoming these challenges in the future. In addition to the theoretical foundations in the fields of aviation icing, surface wetting properties and femtosecond laser processing, this work extensively explores the superhydrophobic and ice-repellent properties of the mentioned surfaces. Various nano- and microstructural types (LIPSS, Grid, Dimple, Triangle), their physical characteristics and the resulting wetting and de-icing behavior are primarily investigated on stainless steel samples by contact angle and ice adhesion measurements. Following laser structuring, the nano- and microstructures undergo either a vacuum or gasoline surface treatment, inducing a rapid transformation into superhydrophobic wetting properties. A comprehensive comparison and evaluation of these two methods and their resulting behavior are conducted throughout the study. To ensure the applicability of the produced surfaces in real aircraft settings, a substantial portion of this investigation involves chemical corrosion tests on these superhydrophobic surfaces, examining their resistance against acetone and glycol. Results indicated that the petrol-treated samples maintain hydrophobic wettability for an extended immersion period compared to vacuum-treated samples. However, both treatment methods could not retain measured values such as low roll-off angles or low ice adhesion values. Nonetheless, the study demonstrated regenerative properties of the produced surfaces and revealed that contact angle hysteresis does not directly correlate with ice adhesion. Subsequent to the corrosion tests, UV resistance experiments and an analysis of the impact of structure depth on corrosion resistance and the transition from hydrophilic to hydrophobic characteristics are conducted. The research underscores that surface topography not only affects wetting and ice-repellent properties but also influences chemical conversion. Beyond the two carbon conversion processes (vacuum and petrol), investigations into coatings, including those based on HMDSO, reveal promising measured values. However, it is emphasized that excessively thick coatings may detrimentally affect superhydrophobic properties by covering nano- or microstructures. As part of this master's thesis, LIPSS structures are successfully generated on aluminum samples through varying and selecting the processing parameters. Furthermore, a series of focus variations and spot diameter measurements were carried out on stainless steel to simplify the future specification of processing parameters. Finally, a selection of processing parameters for the different structural types was determined through preliminary experiments, serving as the basis for future investigations.