Die Luft- und Raumfahrtindustrie arbeitet daran, die Effizienz ihrer Vereisungsschutzsysteme zu verbessern, auch indem sie die Systeme mit eisabweisenden Beschichtungen schützt. Es fehlt jedoch an geeigneten Materialien und Verfahren für die Herstellung solcher Oberflächen. Um die nächste Generation von Flugzeugen und leichten Drehflüglern ohne Eisschutzsysteme vor Vereisung schützen zu können, muss die Industrie nach dauerhaften und wirksamen eisabweisenden Beschichtungen forschen.
In dieser Arbeit wurden an zwei Punkten Fortschritte auf dem Weg zu eisabweisenden Materialien für die Luft- und Raumfahrt erzielt: zum einen durch neue Methoden zur Charakterisierung der Leistungsfähigkeit von eisabweisenden Beschichtungen und zum anderen durch das Testen einer Vielzahl von Beschichtungen, die auf unterschiedlichen Funktionsprinzipien in Bezug auf Haltbarkeit und Eisadhäsionskraft basieren.
Die mechanische Beständigkeit von Oberflächen ist ein Hauptanliegen von Flugzeugkonstrukteuren. Daher wurden qualitative Haltbarkeitstests an superhydrophoben Oberflächen durchgeführt, die auf Aluminium- und Edelstahllegierungen hergestellt wurden. Anders als erwartet erwiesen sich einige superhydrophobe Oberflächen als weniger eisabweisend. Superhydrophobe Oberflächen, die auf Titansubstraten hergestellt wurden, zeigten eine bessere Eisabweisung, wenn eine Mikrostruktur mit einer nanoskaligen Struktur kombiniert wurde unter anderem weil eine mikroskalige Struktur die Haltbarkeit der nanoskaligen Struktur erhöht. Die Eisabweisung dieser Oberflächen beruhte auch auf einer hydrophoben Oberflächenchemie, die sich jedoch bei UV-Strahlung verschlechtert. Um dieses Problem zu lösen, wurden Beschichtungen aus Silikon-Nanofilamenten mit nanoskaliger Struktur, einer hydrophoben Oberflächenchemie und UV-Beständigkeit untersucht.
Silikon-Nanofilament-Beschichtungen, die auf einem Polyestergewebe hergestellt wurden, wurden einer aerodynamischen Hochgeschwindigkeitsumgebung ausgesetzt. Der Wasserkontaktwinkel und der Abrollwinkel wurden unter zunehmend aggressiven mechanische Bedingungen gemessen und zeigten, dass die Beschichtung superhydrophob bleibt, bis sie Wassertropfenwolken in einem Luftstrom mit einer Geschwindigkeit von 120 m/s oder mehr ausgesetzt wurde. Ein beschichtetes Gewebe wurde auch Vereisungsbedingungen ausgesetzt, wobei es für 3 Vereisungszyklen mindestens hydrophob und im Bereich der Vorderkante lokal superhydrophob blieb.
Die Beschichtung aus Silikon-Nanofilamenten wurde dann auf Aluminium- und Titanlegierungen aufgewachsen, was zu nanostrukturierten superhydrophoben Beschichtungen führte. Erstmals wurde an diesen Beschichtung Messungen der Eisadhäsionskraft durchgeführt. Hier konnte jeweils eine 50-70% bzw. 70-80% reduzierte Eisadhäsionskraft im Vergleich zu einer unbehandelten Oberfläche auf Aluminiumsubstraten und Titansubstraten gemessen werden. Die Infusion von Schmiermittel in die nanoporöse Beschichtung auf Titan führte zu einer Reduktion der Eishaftung um 80 % und war für 4 Enteisungszyklen bei jeder der 4 getesteten Vereisungsbedingungen gleich.
Zur Verbesserung der Testmethode für die Eishaftung mit vibrierenden Auslegern wurde zum ersten Mal eine Unsicherheitsanalyse gemäß dem Leitfaden zur Angabe der Unsicherheit beim Messen (GUM) durchgeführt. Die typische Unsicherheit für einen einzelnen Datenpunkt der Eishaftungsfestigkeit betrug 27 % mit einem Konfidenzintervall von 95 %. Der Parameter, der am meisten zu dieser Unsicherheit beitrug, war das Elastizitätsmodul des Eises. Im Folgenden wurde eine Prüfmethode zur Messung des Elastizitätsmoduls von Eis entwickelt, bei der die unveränderte Methode des vibrierenden Cantilever-Tests verwendet wurde. Um die Methode zu demonstrieren, wurde sie zur Messung des Elastizitätsmoduls von 4 verschiedenen Eistypen verwendet, die unter den für die Eishaftungsprüfung verwendeten Bedingungen hergestellt wurden. Die gemessenen Elastizitätsmodule lagen zwischen 5 und 7 GPa. | German |
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