phmathВестник Государственного университета просвещения. Серия: Физика-МатематикаBulletin of Federal State University of Education. Series: Physics and Mathematics2949-50832949-5067Federal State University of Education10.18384/2949-5067-2024-4-6-25phmath-652Research ArticleФИЗИКАPHYSICSОптимизация рельефа поверхности для придания ей супергидрофобных свойствOptimization of the surface relief to give it superhydrophobic propertieshttps://orcid.org/0000-0002-4281-3531АмелюшкинИ. А.AmelyushkinI. A.

Амелюшкин Иван Алексеевич – кандидат физико-математических наук, программист лаборатории информационных технологий и прикладной математики Физтех-школы аэрокосмических технологий

141701, Московская обл., г. Долгопрудный, Институтский пер., д. 9

Ivan A. Amelyushkin – Cand. Sci. (Phys.-Math.), Programmer, Laboratory of Information Technologies and Applied Mathematics, Phystech School of Aerospace Technology

Institutskiy pereulok 9, Dolgoprudniy 141701, Moscow region

Amelyushkin_Ivan@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2056-1932КудровМ. А.KudrovM. A.

Кудров Максим Александрович – кандидат технических наук, доцент, директор Передовой инженерной школы радиолокации, радионавигации и программной инженерии

141701, Московская обл., г. Долгопрудный, Институтский пер., д. 9

Maksim A. Kudrov – Cand. Sci. (Engineering), Assoc. Prof., Director of the Advanced Engineering School of Radar, Radionavigation and Software Engineering

Institutskiy pereulok 9, Dolgoprudniy 141701, Moscow region

MKudrov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7101-9759КулешовП. С.KuleshovP. S.

Кулешов Павел Сергеевич – кандидат физико-математических наук, преподаватель кафедры общей физики

141701, Московская обл., г. Долгопрудный, Институтский пер., д. 9

Pavel S. Kuleshov – Cand. Sci. (Phys.-Math.), Lecturer of the Department of General Physics

Institutskiy pereulok 9, Dolgoprudniy 141701, Moscow region

KuleshovPS@yandex.ruМосковский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)РоссияMoscow Institute of Physics and TechnologyRussian Federation20241203202504625Copyright © Амелюшкин И.А., Кудров М.А., Кулешов П.С., 20252025Амелюшкин И.А., Кудров М.А., Кулешов П.С.Amelyushkin I.A., Kudrov M.A., Kuleshov P.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.physmathmgou.ru/jour/article/view/652Цель

Цель. Моделирование свойств гидрофобных и льдофобных покрытий.

Процедура и методы

Процедура и методы. Применявшиеся методы основаны на использовании известных общепринятых законов механики, электродинамики и термодинамики. Уравнения решались численно с помощью собственных программ ЭВМ, графики построены с помощью известных программ построения графиков.

Результаты

Результаты. Сформулированы условия супергидрофобности. Проведены аналитические исследования особенностей нанесения рельефа на поверхность металла с помощью лазерной абляции. Предложен способ управления пространственным периодом рельефа путём изменения параметров лазерной системы. На основе опубликованных экспериментальных данных по лазерной абляции показана возможность удовлетворения условиям супергидрофобности модифицированных поверхностей из алюминия, титана и стали.

Теоретическая и практическая значимость заключается в развитии методов моделирования гидрофобных и льдофобных свойств, а также в моделировании и оптимизации процессов их создания. Использование таких покрытий позволяет существенно снизить интенсивность обледенения летательных аппаратов, снизить сопротивление тел в жидкости, а также сопротивление летательных аппаратов в условиях обильных осадков.

Aim

Aim. Modeling the properties of hydrophobic and ice-repellent coatings.

Methodology

Methodology. The methods used are based on the use of known generally accepted laws of mechanics, electrodynamics and thermodynamics. The equations were solved numerically using proprietary computer programs, and the graphs were constructed using known graph plotting programs.

Results

Results. The conditions for superhydrophobicity were formulated. Analytical studies of the features of applying relief to a metal surface using laser ablation were conducted. A method for controlling the spatial period of relief by changing the parameters of the laser system was proposed. Based on published experimental data on laser ablation, the possibility of satisfying the conditions of superhydrophobicity of modified aluminum, titanium and steel surfaces was shown.

Research implications lies in development of methods for modeling hydrophobic and ice-phobic properties, as well as in modeling and optimizing the processes of their creation. The use of such coatings allows for a significant reduction in the intensity of icing of aircraft, the drag of bodies in liquid, and the drag of aircraft in conditions of heavy precipitation.

лазерная абляцияпространственный периодрельефсупергидрофобностьlaser ablationspatial periodreliefsuperhydrophobicityReferencesАмелюшкин И. А., Миллер А. Б., Стасенко А. Л. Оценка периода шероховатости противообледенительных покрытий тела в потоке воздуха с переохлаждёнными каплями // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Физика-Математика. 2021. № 1. С. 54–63. DOI: 10.18384/2310-7251-2021-1-54-63.Amelyushkin, I. A., Miller, A. B. & Stasenko, A. L. (2021). Estimation of the roughness period of anti-ice body coatings in air flow with supercooled droplets. In: Bulletin of the Moscow Region State University. Series: Physics-Mathematics, 1, 54–63. DOI: 10.18384/2310-7251-2021-1-54-63 (in Russ.).Модели процессов, сопровождающих кристаллизацию переохлажденных капель / И. А. Амелюшкин, М. А. Кудров, А. О. Морозов, А. Л. Стасенко, А. С. Щеглов // Труды Института системного программирования РАН. 2020. Т. 32. № 4. С. 235–244. DOI: 10.15514/ISPRAS-2020-32(4)-17.Amelyushkin, I. A., Kudrov, M. A., Morozov, A. O., Stasenko, A. L. & Shcheglov, A. S. (2020). Models of processes accompanying crystallization of supercooled metastable droplets. In: Proceedings of the Institute for System Programming of the RAS, 32 (4), 235– 244. DOI: 10.15514/ISPRAS-2020-32(4)-17 (in Russ.).Design of Ice-free Nanostructured Surfaces Based on Repulsion of Impacting Water Droplets / L. Mishchenko, B. Hatton, V. Bahadur, J. A. Taylor, T. Krupenkin, J. Aizenberg // ACS Nano. 2010. Vol. 4. Iss. 12. P. 7699–7707. DOI: 10.1021/nn102557p.Mishchenko L., Hatton, B., Bahadur, V., Taylor, J. A., Krupenkin, T. & Aizenberg, J. (2010). Design of Ice-free Nanostructured Surfaces Based on Repulsion of Impacting Water Droplets. In: ACS Nano, 4 (12), 7699–7707. DOI: 10.1021/nn102557p.Каджардузов П. А., Эзрохи Ю. А. Влияние обледенения на характеристики двухконтурных ГТД в условиях ледяных кристаллов // Авиационные двигатели. 2019. № 1 (2). С. 75–81. DOI: 10.54349/26586061_2019_1_75.Kadzharduzov, P. A. & Ezrokhi, Yu. A. (2019). Influence of ice accretion on turbofan performances in ice crystal conditions. In: Aviation Engines, 1 (2), 75–81. DOI: 10.54349/26586061_2019_1_75 (in Russ.).Расчетно-аналитическое исследование в обеспечение подтверждения эффективности защиты авиационного двигателя от воздействий дождя и шквального града / А. В. Горячев, П. А. Горячев, В. Г. Жулин, С. А. Гребеньков // Авиационные двигатели. 2019. № 4 (5). С. 19–30. DOI: 10.54349/26586061_2019_4_19.Goryachev, A. V., Goryachev, P. A., Zhulin, V. G. & Grebenkov, S. A. (2019). Computational and analytical study to confirm effectiveness of an aircraft engine’s protection from effects of rain and hail. In: Aviation Engines, 4 (5), 19–30. DOI: 10.54349/26586061_2019_4_19 (in Russ.).Экспериментальные и теоретические исследования процессов обледенения наномодифицированных супергидрофобных и обычных поверхностей / Э. С. Гринац, А. Б. Миллер, Ю. Ф. Потапов, А. Л. Стасенко // Вестник Московского государственного областногоуниверситета. Серия: Физика-Математика. 2013. № 3. С. 84–92.Grinats, E. S, Miller, A. B., Potapov, Y. Ph. & Stasenko, A. L. (2013). Experimental and theoretical investigations of the ordinary and nano modified superhydrophobic surfaces icing processes. In: Bulletin of the Moscow Region State University. Series: Physics-Mathematics, 3, 84–92 (in Russ.).Особенности получения антиобледенительных покрытий (обзор) / Л. В. Соловьянчик, С. В. Кондрашов, В. С. Нагорная, А. А. Мельников // ТРУДЫ ВИАМ. 2018. № 6 (66). С. 77–98. DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-6-77-98.Solovyanchik, L. V., Kondrashov, S. V., Nagornaya, V. S. & Melnikov, A. A. (2018). Feature of receipt anti-icing coating (review). In: Proceedings of VIAM, 6 (66), 77–98. DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-6-77-98 (in Russ.).Кулешов П. С. О диспергировании наночастиц алюминия // Горение и взрыв. 2019. T. 12. № 3. С. 117–126. DOI: 10.30826/CE19120313.Kuleshov, P. S. (2019). On the dispersion of aluminum nanoparticles. In: Combustion and explosion, 12 (3), 117–126. DOI: 10.30826/CE19120313 (in Russ.).Кулешов П. С., Кобцев В. Д. Распределение кластеров алюминия и их воспламенение в воздухе при диспергации наночастиц алюминия в ударной волне // Физика горения и взрыва. 2020. Т. 56. № 5. С. 80–90. DOI: 10.15372/FGV20200508.Kuleshov, P. S. & Kobtsev, V. D. (2020). Distribution of aluminum clusters and their ignition in air during dispersion of aluminum nanoparticles in a shock wave. In: Combustion, Explosion, and Shock Waves, 56 (5), 80–90. DOI: 10.15372/FGV20200508 (in Russ.).Kirichenko N. A., Barmina E. V., Shafeev G. A. Theoretical and Experimental Investigation of the Formation of High Spatial Frequency Periodic Structures on Metal Surfaces Irradiated by Ultrashort Laser Pulses // Physics of Wave Phenomena. 2018. Vol. 26. No. 4. P. 264–273. DOI: 10.3103/S1541308X18040027.Kirichenko, N. A., Barmina, E. V. & Shafeev, G. A. (2018). Theoretical and Experimental Investigation of the Formation of High Spatial Frequency Periodic Structures on Metal Surfaces Irradiated by Ultrashort Laser Pulses. In: Physics of Wave Phenomena, 26 (4), 264– 273. DOI: 10.3103/S1541308X18040027.Гидродинамическая неустойчивость и самоорганизация субмикронного рельефа поверхности металлов при фемтосекундном лазерном облучении в жидкости / A. A. Ионин, С. И. Кудряшов, А. О. Левченко, С. В. Макаров, И. Н. Сараева, А. А. Руденко, А. В. Буцень, В. С. Бураков // Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики. 2017 Т. 106. № 3-4. С. 247–251. DOI: 10.7868/S0370274X17160123.Ionin, A. A., Kudryashov, S. I., Levchenko, A. O., Makarov, S. V., Saraeva, I. N., Rudenko, A. A., Butsen, A. V. & Burakov, V. S. (2017). Hydrodynamic instability and selforganization of a submicron relief on metal surfaces upon femtosecond laser exposure in liquids. In: Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters, 106 (3-4), 247–251. DOI: 10.7868/S0370274X17160123 (in Russ.).Кулешов П. С., Кузнецов А. М., Кулешова Ю. Д. Диспергация металлических нанопленок при лазерном сканировании // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Физика-Математика. 2022. № 1. С. 41–51. DOI: 10.18384/2310-7251-2022-1-41-51.Kuleshov, P. S., Kuznetsov, M. M. & Kuleshova, Yu. D. (2022). Dispersion of metal nanofilms during laser scanning. In: Bulletin of the Moscow Region State University. Series: Physics and Mathematics, 1, 41–51. DOI: 10.18384/2310-7251-2022-1-41-51 (in Russ.).Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. 6. Гидродинамика; 3-е изд., перераб. М.: Наука, 1986. 738 с.Landau, L. D. & Lifshitz, E. M. (1986). Theoretical Physics. Vol. 6. Hydrodynamics. Moscow: Nauka publ. (in Russ.).Новацкий В. Теория упругости: монография. М.: Мир, 1975. 872 с.Novatsky, V. (1975). Theory of elasticity. Moscow: Mir publ. (in Russ.).Амелюшкин И. А., Стасенко А. Л. Взаимодействие потока газа, несущего несферические микрочастицы, с поперечным цилиндром // Инженерно-физический журнал. 2018. Т. 91. № 2. С. 307–318.Amelyushkin, I. A. & Stasenko, A. L. (2018). Interaction of a gas flow carrying nonspherical microparticles with a cross cylinder. In: Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 91 (2), 307–318 (in Russ.).Амелюшкин И. А., Стасенко А. Л. Моделирование взаимодействия кристаллов льда с поверхностью летательного аппарата: область орошения и коэффициенты восстановления скорости // Инженерно-физический журнал. 2020. Т. 93. № 3. С. 597– 605.Amelyushkin, I. A. & Stasenko, A. L. (2020). Simulation of the interaction of ice crystals with the surface of a flying vehicle. In: Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 93 (3), 597–605 (in Russ.).Миколуцкий С. И., Хомич Ю. В. Влияние лазерного УФ-излучения наносекундной длительности на структуру и адгезионные свойства металлов и сплавов // Физика металлов и металловедение 2021 Т. 122. № 2. С. 159–165. DOI: 10.31857/S001532302102008X.Mikolutsky. S. I. & Khomich, Y. V. (2021). Effect of nanosecond ultraviolet laser radiation on the structure and adhesion properties of metals and alloys. In: Physics of Metals and Metallography, 122 (2), 159–165. DOI: 10.31857/S001532302102008X (in Russ.).Effect of fs/ps laser pulsewidth on ablation of metals and silicon in air and liquids, and on their nanoparticle yields / I. N. Saraeva, S. I. Kudryashov, A. A. Rudenko, M. I. Zhilnikova, D. S. Ivanov, D. A. Zayarny, A. V. Simakin, A. A. Ionin, M. E. Garcia // Applied Surface Science. 2019. Vol. 470. P. 1018–1034. DOI: 10.1016/j.apsusc.2018.11.199.Saraeva, I. N., Kudryashov, S. I., Rudenko, A. A., Zhilnikova, M. I., Ivanov, D. S., Zayarny, D. A., Simakin, A. V., Ionin, A. A. & Garcia, M. E. (2019). Effect of fs/ps laser pulsewidth on ablation of metals and silicon in air and liquids, and on their nanoparticle yields. In: Applied Surface Science, 470, 1018–1034. DOI: 10.1016/j.apsusc.2018.11.199.Structural-phase state of near-surface layers of VT6 titanium alloy after femtosecond laser treatment / M. V. Zhidkov, N. A. Smirnov, J. Chen, S. I. Kudryashov, M. N. Yapryntsev // Letters on Materials. 2020. No. 10 (3). P. 243–248. DOI: 10.22226/2410-3535-2020-3-243-248.Zhidkov, M. V., Smirnov, N. A., Chen, J., Kudryashov, S. I. & Yapryntsev, M. N. (2020). Structural-phase state of near-surface layers of VT6 titanium alloy after femtosecond laser treatment. In: Letters on Materials, 10 (3), 243–248. DOI: 10.22226/2410-3535-2020-3-243-248.Ohkura Y., Rao P. M., Zheng X. Flash ignition of Al nanoparticles: mechanism and applications // Combustion and Flame. 2011. Vol. 158. Iss. 12. P. 2544–2548.Ohkura, Y., Rao, P. M. & Zheng, X. (2011). Flash ignition of Al nanoparticles: mechanism and applications. In: Combustion and Flame, 158 (12), 2544–2548.Kuleshov P. S., Manoshkin Y. V. The effect of electric field on the formation and fragmentation of condensate film on the walls of a capillary in a flow of steam // High Temperature. 2009. Vol. 47. No. 1. P. 102–110. DOI: 10.1134/S0018151X09010131.Kuleshov, P. S. & Manoshkin, Y. V. (2009). The effect of electric field on the formation and fragmentation of condensate film on the walls of a capillary in a flow of steam. In: High Temperature, 47 (1), 102–110. DOI: 10.1134/S0018151X09010131.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.