Оптимизация рельефа поверхности для придания ей супергидрофобных свойств

Цель. Моделирование свойств гидрофобных и льдофобных покрытий.

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. 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.

1. Амелюшкин 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. Кулешов П. С. О диспергировании наночастиц алюминия // Горение и взрыв. 2019. T. 12. № 3. С. 117–126. DOI: 10.30826/CE19120313.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. 6. Гидродинамика; 3-е изд., перераб. М.: Наука, 1986. 738 с.

14. Новацкий В. Теория упругости: монография. М.: Мир, 1975. 872 с.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.