RU2815776C1

RU2815776C1 - Method of imparting superhydrophobic properties to metal surface

Info

Publication number: RU2815776C1
Application number: RU2023113677A
Authority: RU
Inventors: Виталий Дмитриевич Кобцев; Александр Валикоевич Гелиев; Павел Сергеевич Кулешов
Original assignee: Федеральное Автономное Учреждение "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова"
Filing date: 2023-05-26
Publication date: 2024-03-21

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to the field of texturing of metal surfaces to impart superhydrophobic properties to them, having water-repellent properties, providing effective reduction of corrosion processes rate during operation of structures in various conditions, including in an atmosphere with high humidity, which are used to create self-cleaning surfaces and prevent icing of various parts of machines and structures, in particular, fixed inlet parts of gas turbine or air-jet engine of aircraft. Method involves preliminary determination of the required condition of hydrophobicity, successive coating of the surface with a layer of deionized water for protection against oxidation, exposing the surface to a focused beam of pulsed laser radiation with certain characteristics, providing the occurrence of surface electromagnetic waves in the melt, with variation of laser radiation intensity and pulse duration in nanosecond range. Spatial period of the relief of a variable scale in the nanometer range is determined from the relationship; the beam is displaced relative to the surface according to a predetermined law.

EFFECT: higher efficiency of imparting superhydrophobic properties to metal surface.

1 cl, 2 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области текстурирования поверхностей металлов для придания им супергидрофобных свойств, обладающих водоотталкивающими свойствами, обеспечивающих эффективное снижение скорости коррозионных процессов при эксплуатации конструкций в различных условиях, в том числе в атмосфере с высокой влажностью, находящих применение для создания самоочищающихся поверхностей и предотвращения обледенения различных частей машин и конструкций, в частности неподвижных входных частей газотурбинной или воздушно-реактивной двигательной установки самолета.The invention relates to the field of texturing metal surfaces to give them superhydrophobic properties that have water-repellent properties, providing an effective reduction in the rate of corrosion processes when operating structures in various conditions, including in an atmosphere with high humidity, which are used to create self-cleaning surfaces and prevent icing of various parts machines and structures, in particular the fixed input parts of a gas turbine or air-breathing propulsion system of an aircraft.

Известно, что для борьбы с обледенением применяется пассивный метод получения супергидрофобных поверхностей, включающий сочетание двух факторов: наличие на поверхности многомодальной шероховатости с характерными размерами в нанометровом и микрометровом диапазонах. Для придания текстурированной таким образом поверхности гидрофильного материала супергидрофобных свойств ее нужно модифицировать веществом с низкой поверхностной энергией - гидрофобизатором, который наносится на защищаемую поверхность нанорельефа. При этом гидрофобные покрытия эффективно работают в условиях приблизительного баланса между силами инерции и силами поверхностного натяжения жидкости вблизи рельефа обтекаемого тела. Однако при превышении критического значения поверхностной плотности кинетической энергии переохлажденной капли возникает отрицательный эффект, связанный с проникновением и застыванием переохлажденной жидкости в углублениях рельефа.It is known that to combat icing, a passive method is used to obtain superhydrophobic surfaces, which includes a combination of two factors: the presence on the surface of multimodal roughness with characteristic dimensions in the nanometer and micrometer ranges. To impart superhydrophobic properties to the surface of a hydrophilic material textured in this way, it must be modified with a substance with low surface energy - a water repellent, which is applied to the protected surface of the nanorelief. In this case, hydrophobic coatings work effectively under conditions of an approximate balance between the forces of inertia and the forces of surface tension of the liquid near the topography of the streamlined body. However, when the surface density of the kinetic energy of a supercooled drop exceeds a critical value, a negative effect occurs associated with the penetration and solidification of the supercooled liquid in the depressions of the relief.

Таким образом, необходимым условием является исключение возможности проникновения капли в углубления рельефа.Thus, a necessary condition is to exclude the possibility of a drop penetrating into the depressions of the relief.

Известен способ придания супергидрофобных свойств поверхности металла, заключающийся в том, что воздействуют на поверхность сфокусированным лучом импульсного лазерного излучения с определенной поляризацией и характеристиками, обеспечивающими возникновение поверхностных электромагнитных волн в расплаве, с определенной интенсивностью и длительностью импульсов лазерного излучения в наносекундном диапазоне, при этом осуществляют перемещение луча относительно поверхности по заданному закону, формируют в процессе перемещения луча многомодальную шероховатость с размерами рельефа одновременно в нанометровом и микрометровом диапазонах, и модифицируют поверхность гидрофобизатором (RU 2605401, 2016 г.). В известном техническом решении мелкая и крупная структура рельефа в процессе лазерной абляции осаждается из атмосферы.There is a known method of imparting superhydrophobic properties to a metal surface, which consists in exposing the surface to a focused beam of pulsed laser radiation with a certain polarization and characteristics that ensure the occurrence of surface electromagnetic waves in the melt, with a certain intensity and duration of laser pulses in the nanosecond range, while doing this moving the beam relative to the surface according to a given law, in the process of moving the beam, they form a multimodal roughness with relief dimensions simultaneously in the nanometer and micrometer ranges, and modify the surface with a water repellent (RU 2605401, 2016). In the known technical solution, small and large relief structures are deposited from the atmosphere during laser ablation.

Наиболее близким из известных по технической сущности и достигаемым результатам является способ придания супергидрофобных свойств поверхности металла, включающий воздействие на поверхность металла сфокусированным лучом импульсного лазерного излучения с поляризацией и характеристиками, обеспечивающими возникновение поверхностных электромагнитных волн в расплаве, с интенсивностью I лазерного излучения, длительностью г импульсов в наносекундном диапазоне, при этом осуществляют перемещение луча относительно поверхности по заданному закону, формируют в процессе перемещения луча многомодальную шероховатость с размерами рельефа одновременно в нанометровом и микрометровом диапазонах (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, №. 4, pp. 264-273.). В известном техническом решении крупная и мелкая структура рельефа возникает в результате лазерной абляции из расплава металла в процессе его остывания.The closest known in terms of technical essence and achieved results is a method of imparting superhydrophobic properties to a metal surface, which involves exposing the metal surface to a focused beam of pulsed laser radiation with polarization and characteristics ensuring the occurrence of surface electromagnetic waves in the melt, with intensity I of laser radiation, pulse duration r in the nanosecond range, while moving the beam relative to the surface according to a given law, forming in the process of moving the beam a multimodal roughness with relief dimensions simultaneously in the nanometer and micrometer ranges (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, pp. 264-273.). In the known technical solution, large and small relief structures arise as a result of laser ablation from the metal melt during its cooling.

Общим существенным недостатком известных технических решений является отсутствие возможности прогнозирования величины периода рельефа в нанометровом диапазоне, удовлетворяющего необходимому критерию гидрофобности, в зависимости от интенсивности лазерного излучения и геометрических характеристик обрабатываемой поверхности металла.A common significant drawback of the known technical solutions is the inability to predict the value of the relief period in the nanometer range that satisfies the necessary hydrophobicity criterion, depending on the intensity of laser radiation and the geometric characteristics of the metal surface being processed.

Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в расширении арсенала технических средств, а, именно в создании способа придания супергидрофобных свойств поверхности металла, обеспечивающего повышение эффективности способа.The technical problem solved by the claimed invention is to expand the arsenal of technical means, namely, to create a method for imparting superhydrophobic properties to a metal surface, which increases the efficiency of the method.

Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого изобретения, заключается в реализации его назначения, т.е. в создании способа придания супергидрофобных свойств поверхности металла, обеспечивающего повышение эффективности способа за счет прогнозирования величины периода рельефа в нанометровом диапазоне, удовлетворяющего необходимому критерию гидрофобности в зависимости от интенсивности лазерного излучения и геометрических характеристик обрабатываемой поверхности металла.The technical result achieved by implementing the proposed invention lies in the implementation of its purpose, i.e. in creating a method for imparting superhydrophobic properties to a metal surface, ensuring an increase in the efficiency of the method by predicting the value of the relief period in the nanometer range, satisfying the necessary hydrophobicity criterion depending on the intensity of laser radiation and the geometric characteristics of the metal surface being processed.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что при осуществлении способа придания супергидрофобных свойств поверхности металла, включающего воздействие на поверхность металла сфокусированным лучом импульсного лазерного излучения с поляризацией и характеристиками, обеспечивающими возникновение поверхностных электромагнитных волн в расплаве, с интенсивностью I лазерного излучения, длительностью "T импульсов в наносекундном диапазоне, осуществление при этом перемещения луча относительно поверхности по заданному закону, формирование в процессе перемещения луча многомодальной шероховатости с размерами рельефа одновременно в нанометровом и микрометровом диапазонах, согласно предлагаемому техническому решению предварительно определяют необходимое условие гидрофобности по зависимости:The claimed technical result is achieved due to the fact that when implementing a method of imparting superhydrophobic properties to a metal surface, which includes exposing the metal surface to a focused beam of pulsed laser radiation with polarization and characteristics ensuring the occurrence of surface electromagnetic waves in the melt, with intensity I of laser radiation, duration "T pulses in the nanosecond range, the movement of the beam relative to the surface according to a given law, the formation in the process of moving the beam of a multimodal roughness with relief dimensions simultaneously in the nanometer and micrometer ranges, according to the proposed technical solution, the necessary condition for hydrophobicity is preliminarily determined by the dependence:

где:Where:

σ - коэффициент поверхностного натяжения воды, н/м;σ - coefficient of surface tension of water, n/m;

ρ - плотность воды, кГ/м³;ρ - water density, kg/ ^m3 ;

ν - относительная скорость удара по заданной точке поверхности переохлажденной каплей воды радиусом R, равным 20 мкм, в заданной точке поверхности при относительной скорости невозмущенного потока влажного воздуха равной 100 м/с при крейсерском режиме полета, м/с;ν is the relative speed of impact on a given point of the surface by a supercooled drop of water with a radius R equal to 20 μm, at a given point of the surface with a relative speed of undisturbed flow of moist air equal to 100 m/s in cruising flight mode, m/s;

затем размещают обрабатываемую поверхность металла в фокальной плоскости и для защиты от оксидирования последовательно покрывают слоем деионизированной воды, метанола или изопропанола, а при воздействии на поверхность металла сфокусированным лучом импульсного лазерного излучения изменяют интенсивность I лазерного излучения в зависимости от геометрических характеристик поверхности и с учетом необходимого условия гидрофобности, а пространственный период λ_H рельефа переменного масштаба в нанометровом диапазоне определяют по зависимости:then the metal surface to be treated is placed in the focal plane and, to protect it from oxidation, it is sequentially covered with a layer of deionized water, methanol or isopropanol, and when the metal surface is exposed to a focused beam of pulsed laser radiation, the intensity I of the laser radiation is changed depending on the geometric characteristics of the surface and taking into account the necessary condition hydrophobicity, and the spatial period λ _H of the variable-scale relief in the nanometer range is determined by the dependence:

где:Where:

а _m2 - коэффициент температуропроводности твердого металла, м²/с; and _m2 is the thermal diffusivity coefficient of solid metal, m ² /s;

I интенсивность лазерного излучения, Вт/м³;I intensity of laser radiation, W/m ³ ;

σ_m - коэффициент поверхностного натяжения расплава металла, н/м;σ _m - coefficient of surface tension of the metal melt, n/m;

ρ - плотность воды, кГ/м³;ρ - water density, kg/ ^m3 ;

τ - длительность импульса; τ - pulse duration;

Существенность отличительных признаков технического решения подтверждается тем, что только совокупность всех признаков, описывающая предлагаемое техническое решение, позволяет обеспечить решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата.The significance of the distinctive features of a technical solution is confirmed by the fact that only the totality of all the features that describe the proposed technical solution makes it possible to provide a solution to the stated technical problem with the achievement of the stated technical result.

Существенные признаки могут иметь развитие и продолжение, а именно, поверхность металла после воздействия сфокусированным лучом импульсного лазерного излучения покрывают гидрофобизатором, что обеспечивает придание поверхности супергидрофобных свойств.Essential features can be developed and continued, namely, the metal surface, after exposure to a focused beam of pulsed laser radiation, is coated with a water repellent, which provides the surface with superhydrophobic properties.

Изобретение поясняется следующим подробным описанием и иллюстрациями, где:The invention is illustrated by the following detailed description and illustrations, where:

- на фигуре 1 изображена схема реализации способа;- Figure 1 shows a diagram of the implementation of the method;

- на фигуре 2 изображена схема распределения поперечных застывших капиллярных волн на обрабатываемой поверхности металла.- Figure 2 shows a diagram of the distribution of transverse frozen capillary waves on the metal surface being processed.

На чертеже приняты следующие обозначения:The following designations are used in the drawing:

1 - обрабатываемая поверхность металла;1 - metal surface being processed;

2 - защитный слой деионизированной воды;2 - protective layer of deionized water;

3 - источник лазерного излучения;3 - source of laser radiation;

4 - коллиматор;4 - collimator;

5 - отклоняющая система;5 - deflection system;

6 - фокусирующая система;6 - focusing system;

7 - капиллярные волны на обрабатываемой поверхности металла. Способ реализуется следующим образом.7 - capillary waves on the processed metal surface. The method is implemented as follows.

Предварительно определяют необходимое условие гидрофобности исходя из следующих условий.The necessary condition for hydrophobicity is preliminarily determined based on the following conditions.

Если радиус R исходной круглой переохлажденной капли значительно крупнее пространственного периода λ_H рельефа: R>>λ_H, то при ударе капли о поверхность возникают волны деформации, распространяющиеся в капле со скоростью звука с. Для капли, как для одномерного резонатора, частота акустических колебаний:If the radius R of the initial round supercooled drop is much larger than the spatial period λ _H of the relief: R>>λ _H , then when the drop hits the surface, deformation waves arise, propagating in the drop at the speed of sound c. For a drop, as for a one-dimensional resonator, the frequency of acoustic vibrations is:

где k - номер гармоники.where k is the harmonic number.

В результате такого взаимодействия с рельефной поверхностью капля начинает разваливаться на отдельные фрагменты радиуса r. В резонансном режиме аналогичная частота будет у капиллярных колебаний жидкого сферического фрагмента, которая известна для основного тона колебаний:As a result of such interaction with the relief surface, the drop begins to fall apart into separate fragments of radius r. In the resonant mode, the capillary vibrations of a liquid spherical fragment will have a similar frequency, which is known for the fundamental tone of vibrations:

где:Where:

ρ - плотность воды, кг/м³;ρ - density of water, kg/ ^m3 ;

При этом равенство акустической и капиллярной частот позволяет связать радиус r фрагмента и радиус R исходной капли:In this case, the equality of the acoustic and capillary frequencies allows us to relate the radius r of the fragment and the radius R of the initial drop:

Необходимым условием является трансформация капли в агломерат фрагментов, значительно более крупных по сравнению с размерами углублений рельефа (см. фиг.2):A necessary condition is the transformation of the drop into an agglomerate of fragments that are much larger compared to the size of the relief depressions (see Fig. 2):

Фрагменты дробления можно считать недеформируемыми твердыми шарами, т.к. внутреннее лапласово давление жидкости во фрагментах по сравнению с каплей значительно возрастает из-за сильного уменьшения их радиуса: r<<R. Кроме того, поскольку капля находится в состоянии переохлажденная, то при ее распаде во фрагментах дробления распространяется волна кристаллизации, поэтому фрагменты могут застыть до взаимодействия с рельефом, что обуславливает применимость модели недеформируемых твердых шаров.Crushed fragments can be considered as non-deformable hard balls, because The internal Laplace pressure of the liquid in fragments compared to a drop increases significantly due to a strong decrease in their radius: r<<R. In addition, since the drop is in a supercooled state, when it disintegrates, a crystallization wave propagates in the crushing fragments, so the fragments can freeze before interacting with the relief, which determines the applicability of the model of non-deformable hard balls.

Тогда согласно (4), фрагменты капли не смогут проникнуть в эти углубления, т.е. в последних не будет намерзания льда.Then, according to (4), fragments of the drop will not be able to penetrate into these recesses, i.e. in the latter there will be no ice freezing.

Поверхность рельефа считается полностью несмачиваемой, т.е. фрагменты жидкости формируются в виде сфер с краевым углом, равным 180°, не контактирующих с углублениями рельефа нигде, кроме как по диаметру последних. В результате из предыдущих формул получаем критерий гидрофобности:The relief surface is considered completely non-wettable, i.e. fluid fragments are formed in the form of spheres with a contact angle equal to 180°, not in contact with the relief depressions anywhere except along the diameter of the latter. As a result, from the previous formulas we obtain the hydrophobicity criterion:

При больших скоростях капли в ней может возбуждаться k-ая гармоника акустических колебаний. Выбор номера k возбуждаемой гармоники возможен при использовании формулы для радиуса r фрагмента дробления, полученного из закона сохранения энергии при условии r<<R (см. 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):At high drop velocities, the kth harmonic of acoustic vibrations can be excited in it. The choice of the number k of the excited harmonic is possible using the formula for the radius r of the fragmentation fragment, obtained from the law of conservation of energy under the condition r<<R (see Kuleshov P.S., Kobtsev V.D. Distribution of aluminum clusters and their ignition in air during dispersion aluminum nanoparticles in a shock wave // Physics of Combustion and Explosion. 2020, T.56, No. 5, pp. 80-90):

где V=4πR³/3 - трансформируемый объем капли, м³;where V=4πR ³ /3 is the transformed volume of the drop, m ³ ;

W=ηρVυ²/2 - энергозатраты на прирост поверхностной энергии при распаде объема V капли на фрагменты радиуса г, кГ*м/с;W=ηρVυ ² /2 - energy consumption for the increase in surface energy during the decay of the volume V of a drop into fragments of radius r, kg*m/s;

η<1 - КПД преобразования кинетической энергии капли в поверхностную энергию фрагментов при трансформации капли.η<1 is the efficiency of converting the kinetic energy of a drop into the surface energy of fragments during the transformation of a drop.

При сравнении формул для радиуса r фрагментов дробления (3) и (6) определяем номер возбуждаемой гармоники:When comparing formulas for the radius r of crushing fragments (3) and (6), we determine the number of the excited harmonic:

где:Where:

υ - относительная скорость удара по заданной точке поверхности переохлажденной каплей воды радиуса R=20 мкм в заданной точке поверхности при относительной скорости невозмущенного потока, равной 100 м/с при крейсерском режиме полета, м/сυ - relative speed of impact on a given point of the surface by a supercooled drop of water of radius R=20 μm at a given point of the surface at a relative speed of the undisturbed flow equal to 100 m/s in cruising flight mode, m/s

Для k=1 и указанных выше параметров получаем: η~15% - КПД преобразования кинетической энергии капли воды R=20 мкм при ее диспергации на ~6⋅10⁵ фрагментов радиуса r=235 нм.For k=1 and the above parameters we obtain: η~15% - efficiency of conversion of the kinetic energy of a water drop R=20 μm when it is dispersed into ~6⋅10 ⁵ fragments of radius r=235 nm.

Для капель R=20 мкм, взаимодействующих с нанорельефом на скорости ~100 м/с, возможно возбуждение с гармоник k=1…17 акустических колебанийFor droplets R=20 μm interacting with the nanorelief at a speed of ~100 m/s, it is possible to excite acoustic vibrations from harmonics k=1...17

Варианты распада с наборами значений (k,r,η):Decay options with sets of values (k,r,η):

для: For:

Тогда при k_max=17 период нанорельефа λ_Hmin<70 нм при k_min=1 период нанорельефа λ_Hmax<470 нмThen at k _max =17 the nanorelief period λ _Hmin <70 nm at k _min =1 the nanorelief period λ _Hmax <470 nm

Из приведенного выше следует, что если кинетическая энергия переохлажденной капли воды радиусом R, равным 20 мкм при ударе в заданной точке поверхности при относительной скорости υ невозмущенного потока, равной 100 м/с при крейсерском режиме полета полностью расходуется на увеличение поверхностной энергии ее фрагментов, то наиболее строгая оценка периода рельефа λ_H<70 нм, т.е. льдообразование невозможно. При расходе минимально возможной части энергии (в результате возбуждения первой гармоники акустических колебаний) при трансформации капли в результате удара, наиболее мягкая оценка периода рельефа λ_H<470 нм, т.е. возможно лишь слабое льдообразование. Таким образом, в результате преобразования формулы (5) условие гидрофобности при определении периода рельефа осуществляется по формуле:From the above it follows that if the kinetic energy of a supercooled drop of water with a radius R equal to 20 μm upon impact at a given point on the surface at a relative speed υ of the undisturbed flow equal to 100 m/s in cruising flight mode is completely spent on increasing the surface energy of its fragments, then the most rigorous estimate of the relief period is λ _H <70 nm, i.e. Ice formation is not possible. When the minimum possible part of the energy is consumed (as a result of excitation of the first harmonic of acoustic vibrations) during the transformation of a drop as a result of an impact, the softest estimate of the relief period λ _H <470 nm, i.e. Only weak ice formation is possible. Thus, as a result of transforming formula (5), the hydrophobicity condition when determining the relief period is carried out according to the formula:

где:Where:

ρ - плотность воды, кГ/м³;ρ - water density, kg/ ^m3 ;

υ - относительная скорость удара по заданной точке поверхности переохлажденной каплей воды радиусом R, равным 20 мкм, в заданной точке поверхности при относительной скорости невозмущенного потока влажного воздуха равной 100 м/с при крейсерском режиме полета, м/с.υ - relative speed of impact on a given point of the surface by a supercooled drop of water with a radius R equal to 20 μm, at a given point of the surface with a relative speed of undisturbed flow of moist air equal to 100 m/s in cruising flight mode, m/s.

Обрабатываемую поверхность 1 металла размещают в фокальной плоскости под защитным слоем 2 деионизированной воды, предназначенной для защиты от оксидирования. Для защиты от оксидирования возможно также использование изопропанола или метанола.The treated metal surface 1 is placed in the focal plane under a protective layer 2 of deionized water intended for protection against oxidation. To protect against oxidation, it is also possible to use isopropanol or methanol.

Генеририруемый при помощи источника 3 лазерного излучения луч импульсного лазерного излучения коллимируется в коллиматоре 4 и попадает на зеркала отклоняющей системы 5, обеспечивающей перемещение луча в двух взаимно перпендикулярных направлениях. На выходе отклоняющей системы коллимированный пучок лазерного излучения с помощью фокусирующей системы 6 фокусируется в зону минимальных размеров с целью достижения высокой плотности мощности излучения в фокальной плоскости. В результате воздействуют на обрабатываемую поверхность 1 металла сфокусированным лучом импульсного лазерного излучения с определенной поляризацией, с интенсивностью I лазерного излучения, длительностью г импульсов в наносекундном диапазоне, обеспечивающими возникновение поверхностных электромагнитных волн в расплаве, и осуществляют перемещение луча относительно обрабатываемой поверхности 1 металла по заданному закону (см. фиг.1). Согласованно управляя с помощью компьютерной системы движением зеркал отклоняющей системы 5 и генерацией лазерного луча, на обрабатываемой поверхности 1 металла формируют в процессе перемещения луча многомодальную шероховатость с размерами рельефа одновременно в нанометровом и микрометровом диапазонах. При этом изменяют интенсивность I лазерного излучения в зависимости от геометрических характеристик поверхности и с учетом необходимого условия гидрофобности, а пространственный период λ_H рельефа переменного масштаба в нанометровом диапазоне определяют по зависимости:The beam of pulsed laser radiation generated using the laser radiation source 3 is collimated in the collimator 4 and hits the mirrors of the deflection system 5, which ensures the movement of the beam in two mutually perpendicular directions. At the output of the deflection system, a collimated laser beam is focused using a focusing system 6 into a zone of minimal dimensions in order to achieve a high radiation power density in the focal plane. As a result, the treated metal surface 1 is exposed to a focused beam of pulsed laser radiation with a certain polarization, with laser radiation intensity I, pulse duration r in the nanosecond range, ensuring the occurrence of surface electromagnetic waves in the melt, and the beam moves relative to the metal surface 1 being processed according to a given law (see figure 1). By coherently controlling the movement of the mirrors of the deflecting system 5 and the generation of the laser beam using a computer system, a multimodal roughness with relief dimensions simultaneously in the nanometer and micrometer ranges is formed on the metal surface 1 being processed in the process of moving the beam. In this case, the intensity I of the laser radiation is changed depending on the geometric characteristics of the surface and taking into account the necessary condition of hydrophobicity, and the spatial period λ _H of the variable-scale relief in the nanometer range is determined by the dependence:

где:Where:

a _m2 - коэффициент температуропроводности твердого металла, м²/с; a _m2 - thermal diffusivity coefficient of solid metal, m ² /s;

ρ - плотность воды, кГ/м³;ρ - water density, kg/ ^m3 ;

a _m - коэффициент температуропроводности расплава металла, м²/с. a _m is the thermal diffusivity coefficient of the metal melt, m ² /s.

Одним из вариантов модифицированной поверхности может быть, например, система параллельных, равномерно отстоящих друг от друга, бороздок, впадины, стенки и гребни которых покрыты поперечными застывшими капиллярными волнами 7, которые возбуждаются в расплаве металла акустическими волнами деформации при схлопывании кавитационных полостей в окружающей жидкости около места плавления обрабатываемой поверхности 1 металла при прохождении по ней сфокусированного лазерного пучка (см. фиг.2). В результате лазерной обработки поверхность 1 металла приобретает супергидрофильные свойства, при которых угол смачивания водой равен 0°, а капля воды при касании с обработанной поверхностью 1 металла растекается в тонкую пленку. Такое растекание капли воды по поверхности после нанесения рельефа указывает на эффективность модифицирования поверхности. Для придания модифицированной лазерной обработкой поверхности 1 металла гидрофильного материала супергидрофобных свойств последнюю покрывают веществом с низкой поверхностной энергией - гидрофобизатором (на чертеже не показан), в качестве которого используются функциональные органосиланы с фторсодержащими углеводородными заместителями, а также органические кислоты, соли кислот, тиолы и другие вещества с длинной углеводородной (фторуглеродной) цепочкой, осаждаемые физической или химической адсорбцией из разбавленных (0.5-5%) растворов в органических растворителях.One of the variants of the modified surface can be, for example, a system of parallel, evenly spaced grooves, depressions, walls and ridges of which are covered with transverse frozen capillary waves 7, which are excited in the metal melt by acoustic deformation waves during the collapse of cavitation cavities in the surrounding liquid near the melting point of the metal surface 1 being processed when a focused laser beam passes through it (see Fig. 2). As a result of laser processing, the metal surface 1 acquires superhydrophilic properties, at which the water contact angle is 0°, and a drop of water, when touching the treated metal surface 1, spreads into a thin film. Such spreading of a drop of water over the surface after applying the relief indicates the effectiveness of surface modification. To impart superhydrophobic properties to the metal surface 1 of a hydrophilic material modified by laser treatment, the latter is coated with a substance with low surface energy - a water repellent (not shown in the drawing), which uses functional organosilanes with fluorine-containing hydrocarbon substituents, as well as organic acids, acid salts, thiols and others. substances with a long hydrocarbon (fluorocarbon) chain, precipitated by physical or chemical adsorption from dilute (0.5-5%) solutions in organic solvents.

Для придания супергидрофобных свойств поверхностям тел с малым радиусом кривизны (R₀=50 мм - штанга приемника воздушного давления (ПВД), антенна и т.д.) рельеф в нанометровом диапазоне необходимо наносить практически по всей поверхности с одинаковым пространственным периодом λ_H. Для тел с большим радиусом кривизны (R₀=200 мм - передняя кромка крыла вблизи фюзеляжа) рельеф в нанометровом диапазоне необязательно наносить на всей поверхности (достаточно осуществлять локальное нанесение вблизи передней точки). Причем в зоне нанорельефа за счет укрупнения периода λ_H появляется возможность снижения энергоемкости операции по его нанесению на поверхность, что обеспечивается плавным снижением интенсивности I излучения на порядок во время сканирования лучом обрабатываемой поверхности металла. При R₀=200 мм снижение интенсивности I излучения обеспечивает снижение энергоемкосиь нанесения рельефа в 2.5 раза. Уменьшать λ_H можно как за счет увеличения интенсивности I, так и за счет увеличения длительности τ импульса. Однако, увеличение интенсивности I излучения ограничено, поскольку изменение режима абляции приводит к образованию вместо волнообразного нанорельефа кратеров на поверхности, срыву нанокапель или образованию нанопены. Результаты экспериментальных исследований приведены ниже.To impart superhydrophobic properties to the surfaces of bodies with a small radius of curvature (R ₀ =50 mm - air pressure receiver rod (APR), antenna, etc.), a relief in the nanometer range must be applied over almost the entire surface with the same spatial period λ _H . For bodies with a large radius of curvature (R ₀ =200 mm - the leading edge of the wing near the fuselage), it is not necessary to apply a relief in the nanometer range over the entire surface (it is enough to apply it locally near the front point). Moreover, in the nanorelief zone, due to the enlargement of the period λ _H , it becomes possible to reduce the energy intensity of the operation of applying it to the surface, which is ensured by a smooth decrease in the intensity I of radiation by an order of magnitude during scanning of the treated metal surface with a beam. At R ₀ =200 mm, a decrease in the intensity I of radiation ensures a reduction in the energy intensity of applying the relief by 2.5 times. λ _H can be reduced both by increasing the intensity I and by increasing the pulse duration τ. However, the increase in the intensity of I radiation is limited, since a change in the ablation mode leads to the formation of craters on the surface instead of a wave-like nanorelief, disruption of nanodroplets, or the formation of nanofoam. The results of experimental studies are given below.

Таким образом, предварительное определение необходимого условия гидрофобности по заданной формуле, изменение интенсивности лазерного излучения в зависимости от геометрических характеристик поверхности и величины относительной скорости удара по заданной точке поверхности переохлажденной каплей стандартного радиуса из невозмущенного потока влажного воздуха, и определение пространственного периода рельефа переменного масштаба в нанометровом диапазоне по определенной зависимости обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в реализации его назначения, т.е. в создании способа придания супергидрофобных свойств поверхности обеспечивающего повышение эффективности способа за счет прогнозирования величины периода рельефа в нанометровом диапазоне, удовлетворяющего необходимому критерию гидрофобности, в зависимости от интенсивности лазерного излучения и геометрических характеристик обрабатываемой поверхности металла.Thus, a preliminary determination of the necessary condition of hydrophobicity according to a given formula, a change in the intensity of laser radiation depending on the geometric characteristics of the surface and the magnitude of the relative impact velocity on a given point of the surface by a supercooled drop of a standard radius from an undisturbed flow of moist air, and the determination of the spatial period of a variable-scale relief in the nanometer range according to a certain dependence ensures the achievement of a technical result, which consists in the implementation of its purpose, i.e. in creating a method for imparting superhydrophobic properties to a surface, providing increased efficiency of the method by predicting the value of the relief period in the nanometer range, satisfying the necessary hydrophobicity criterion, depending on the intensity of laser radiation and the geometric characteristics of the metal surface being processed.

Claims

1. Способ придания супергидрофобных свойств поверхности металла, включающий воздействие на поверхность металла сфокусированным лучом импульсного лазерного излучения с поляризацией и характеристиками, обеспечивающими возникновение поверхностных электромагнитных волн в расплаве, с интенсивностью I лазерного излучения, длительностью τ импульсов в наносекундном диапазоне, при этом осуществляют перемещение луча относительно поверхности по заданному закону, формируют в процессе перемещения луча многомодальную шероховатость с размерами рельефа одновременно в нанометровом и микрометровом диапазонах, отличающийся тем, что предварительно определяют необходимое условие гидрофобности по зависимости:1. A method for imparting superhydrophobic properties to a metal surface, including exposing the metal surface to a focused beam of pulsed laser radiation with polarization and characteristics that ensure the occurrence of surface electromagnetic waves in the melt, with laser radiation intensity I, pulse duration τ in the nanosecond range, while the beam moves relative to the surface according to a given law, in the process of moving the beam, they form a multimodal roughness with relief dimensions simultaneously in the nanometer and micrometer ranges, characterized in that the necessary condition for hydrophobicity is preliminarily determined according to the dependence:

где:Where:

λ_H-период рельефа переменного масштаба, нм;λ_H-relief period of variable scale, nm;

ρ - плотность воды, кг/м³;ρ - density of water, kg/ ^m3 ;

υ - относительная скорость удара по заданной точке поверхности переохлажденной каплей воды радиусом R, равным 20 мкм, в заданной точке поверхности при относительной скорости невозмущенного потока влажного воздуха равной 100 м/с при крейсерском режиме полета, м/с;υ - relative speed of impact on a given point of the surface by a supercooled drop of water with a radius R equal to 20 μm, at a given point of the surface with a relative speed of undisturbed flow of moist air equal to 100 m/s in cruising flight mode, m/s;

, ,

где:Where:

I - интенсивность лазерного излучения, Вт/м³;I is the intensity of laser radiation, W/m ³ ;

τ - длительность импульса, с;τ - pulse duration, s;

σ_m - коэффициент поверхностного натяжения расплава металла, Н/м.σ _m - coefficient of surface tension of the metal melt, N/m.

2. Способ по п. 1, отличающееся тем, что поверхность металла после воздействия сфокусированным лучом импульсного лазерного излучения покрывают гидрофобизатором.2. The method according to claim 1, characterized in that the metal surface, after exposure to a focused beam of pulsed laser radiation, is coated with a water-repellent agent.