Untersuchungen zum Vereisen nanostrukturierter Proben

Abstract

Sowohl in der Windindustrie als auch der Luftfahrt führen vereiste Anlagenteile zu Produktivitätseinbußen. Anstelle von aktiven Enteisungsvorrichtungen sind in den letzten Jahren vor allem passive Systeme, insbesondere strukturierte Oberflächenbeschichtungen, in den Mittelpunkt der Forschung gerückt. Mit ultrakurzen Laserpulsen können Strukturen mit einer Periodizität < 1 μm auf der Oberfläche nahezu aller Werkstoffe erzeugt werden. Derartige LIPSS (laser induced periodic surface structures) verändern die Oberfläche der bearbeiteten Materialien und können so hydrophobe, aber auch bei entsprechenden Bearbeitungsparametern und Werkstoffen hydrophile Eigenschaften zur Folge haben. Hydrophobe bzw. superhydrophobe Eigenschaften von Oberflächen werden bevorzugt angestrebt, da sie einen ähnlichen Selbstreinigungseffekt wie die Lotuspflanze aufweisen können. In manchen Fällen wurde auch ein eisphobes Verhalten, bei dem eine Vereisung der Oberfläche später einsetzt bzw. das Eis leichter entfernt werden kann, beobachtet. Dieses Verhalten soll genauer untersucht und Zusammenhänge zwischen den Oberflächenstrukturen und möglichen eisphoben Eigenschaften ermittelt werden. Dazu wurde ein Versuchsaufbau konstruiert und aufgebaut, mit dem nanostrukturierte Proben und die Umgebungsluft auf bis zu −10°C gekühlt und relevante Umgebungsparameter gemessen werden können. Die Regelung und Datenverarbeitung wurde mit einem Arduino-Microcontroller realisiert. Zusätzlich wurde in den Versuchsaufbau ein Tropfengenerator zur kontrollierten Erzeugung von Wassertropfen und eine einfache Hochgeschwindigkeitskamera für die Durchführung der Messungen integriert. Besonders betrachtet wurde das dynamische Aufprallverhalten von Wassertropfen auf den unterkühlten Proben und die damit verbundene Vereisung.

In the wind industry as well as in aviation, frozen plant components lead to productivity losses. Instead of active de-icing devices, passive systems, especially structured surface coatings, have become the focus of research in recent years. With ultrashort laser pulses, structures with a periodicity < 1 μm can be created on the surface of almost all materials. Such LIPSS (laser induced periodic surface structures) change the surface of the processed materials and can result in hydrophobic, but also hydrophilic properties, if the processing parameters and materials are appropriate. Hydrophobic or super-hydrophobic properties of surfaces are preferred because they can have a similar self-cleaning effect as the lotus plant. In some cases, an ice-phobic behavior has also been observed in which icing of the surface sets in later or the ice can be removed more easily. This behavior will be investigated in more detail and correlations between the surface structures and possible ice-phobic properties will be determined.For this purpose, an experimental setup was designed and set up, with which nanostructured samples and the ambient air can be cooled down to -10°C and relevant environmental parameters can be measured. The control and data processing was realized with an Arduino microcontroller. In addition, a drop generator for the controlled generation of water drops and a simple high-speed camera for performing the measurements were integrated into the experimental setup. Special attention was paid to the dynamic impact behavior of water drops on the supercooled samples and the associated icing.