Development of a Durable Thin-on-Thick Icephobic Coating System for Aerospace Applications

La formation de glace sur les composants des aéronefs est un problème majeur dans l'aviation depuis ses débuts et continue de nuire à ce secteur aujourd'hui. La cause principale de la formation de glace est les gouttelettes en surfusion qui se trouvent suspendues dans les nuages. La basse température de l'air à haute altitude et l'absence de sites de nucléation dans les nuages permettent aux gouttelettes d'eau de se refroidir jusqu'à -40 C sans jamais geler. Ces gouttelettes sont dans un état très instable et vont se geler presque instantanément à la surface d'un avion qui vole dans ce type de nuage. Le givrage des avions diminue la portance tout en augmentant le poids, la traînée et la consommation de carburant. Cela peut également faire en sorte de geler les pièces mobiles ensemble ou de bloquer les entrées d'air, provoquant des pannes mécaniques et même des accidents. Bien qu'il existe des solutions actives de prévention et d'élimination de la glace, celles-ci ajoutent du poids et de la complexité à l'aéronef, et ne sont pas compatibles avec tous les composants. Pour cette raison, une solution passive est souhaitable. De nombreuses stratégies ont été proposées pour développer des surfaces antigel, et parmi celles-ci, l'utilisation de surfaces superhydrophobes est l'une des plus prometteuses. Les surfaces superhydrophobes sont extrêmement hydrofuges, permettant à l'eau de rouler sur leur surface comme une bille sur du bois. Il a été démontré qu'ils retardent la formation de glace sur les surfaces et réduisent l'adhérence de la glace formée. Le principal obstacle à l'utilisation des surfaces superhydrophobes est leur faible durabilité. Le but de ce travail est de développer un revêtement durable qui démontre de la glaciophobicité à travers de la superhydrophobicité. Ceci est réalisé en utilisant un système de revêtement « mince-sur-épais » qui consiste en un revêtement épais de TiO2 ( 50 um) déposé par projection plasma en suspension, et une superposition de couches minces déposées par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma. Il a été démontré dans des travaux antérieurs que le revêtement de TiO2 par projection plasma en suspension présentait une rugosité hiérarchique et qu'il était superhydrophobe lorsqu'il était recouvert d'une couche de finition hydrophobe. La superposition de couches minces est constituée de trois couches: une couche inférieure en SiNx de 150 nm, pour une adhérence améliorée, une couche intermédiaire DLC: SiOx à 250 nm à dureté et mouillabilité réglables, et une couche de finition de 100 nm d'hexaméthyldisiloxane polymérisée au plasma qui est souple, mais très hydrophobe.

Abstract

The formation of ice on aircraft components has been a major issue in aviation since its beginning, and continues to plague the industry today. A leading cause of ice formation is supercooled droplets suspended in clouds. The low air temperature at high altitudes and lack of nucleation sites in clouds means that water droplets can cool to as low as -40 C without ever freezing. These droplets are in a very unstable state and will freeze almost instantly to the surface of an aircraft as it flies through an icing cloud. Icing on aircraft decreases lift, while increasing weight, drag, and fuel consumption. It can also freeze moving parts together or freeze over air intakes, resulting in mechanical failures and even crashes. While active solutions for ice prevention and removal do exist, these add weight and complexity to the aircraft, and are not compatible with all components. For this reason, a passive solution is desirable. Many different strategies have been proposed for developing anti-icing surfaces, and of these, the use of superhydrophobic surfaces is among the most promising. Superhydrophobic surfaces are highly water-repellent, allowing water to roll across their surface like a marble on wood. They have been shown to delay the formation of ice on surfaces, as well as decreasing the adhesion of ice which is formed. Their main barrier to usage is their low durability. The aim of this work is to develop a durable coating which exhibits icephobicity via superhydrophobicity. This is achieved by using a thin-on-thick coating system which consists of a thick (50 um) TiO2 coating deposited by suspension plasma spray, and a thin coating stack deposited by plasma-enhanced chemical vapor deposition. The suspension plasma spray TiO2 coating has been shown in previous works to exhibit hierarchical roughness and is superhydrophobic when coated with a hydrophobic topcoat. The thin stack is newly developed, and consists of three layers: a 150 nm SiNx bottom layer for improved adhesion, a 250 nm DLC:SiOx middle layer with tunable hardness and wettability, and a soft but highly hydrophobic 100 nm plasma polymerized hexamethyldisiloxane topcoat. Development of this coating stack is explored in detail, while the icephobicity of the full coating system is shown through ice adhesion tests, and a superior durability compared to other superhydrophobic surfaces is shown through rain erosion tests and icing/deicing cycles in an icing wind tunnel.