Icephobicity of Superhydrophobic Surfaces Under Atmospheric Icing, the Role of Surface Wettability on Impact Dynamics and Ice Growth Kinetics

Le givrage atmosphérique est un problème difficile pour l'exploitation et la sécurité des aéronefs. Il se produit en vol lorsque des nuages de micrométriques gouttelettes d'eau en surfusion percutent et gèlent sur les surfaces exposées, entrainant diverses défaillances et pertes d'efficacité. Ces gouttelettes, dans une phase liquide instable, possèdent des diamètres de l'ordre de 10 à 50 micromètres, peuvent être refroidies à des températures inférieures à moins 20 C et percuter à des vitesses de dizaines de mètres par seconde. Les systèmes actuels de protection contre la glace reposent sur des technologies telles que des éléments chauffants ou des fluides de dégivrages. Ils sont énergivores, toxiques et peu fiables dans des conditions sévères. Récemment, le développement de surfaces dites glaciophobes a attiré l'attention pour exploiter leurs potentielles propriétés afin d'empêcher l'accumulation de glace, de faciliter le déglaçage ou d'améliorer le dégivrage thermique. Parmi ces surfaces, les revêtements superhydrophobes, qui combinent des matériaux à faible énergie de surface et une rugosité de surface élevée, ont été proposés en raison de leur résistance à l'eau exceptionnelle. Il a été démontré que ces surfaces hydrophobes conservent leurs propriétés dans certaines conditions de givrage, affichant une faible adhérence à la glace, une répulsion des gouttes dans des environnements glacials ou facilitant la fonte et l'élimination de la glace. Cependant, l'adoption de surfaces glaciophobes pour des applications aérospatiales est entravée par un manque de connaissance de leur performance dans des conditions environnementales réalistes. Les conditions de givrage des aéronefs nécessitent des installations dédiées d'essai en soufflerie givrante pour reproduire un environnement atmosphérique réaliste. Le comportement de mouillage et de glaciophobicité des revêtements superhydrophobes sous l'effet combiné de microgouttelettes, de températures glaciales et d'une vitesse d'impact élevée est encore largement inexploré. Par conséquent, l'objectif de cette thèse est d'étudier le rôle de la mouillabilité et de la superhydrophobicité sur la glaciophobicité de surfaces spécifiquement modifiées dans des conditions de givrage de microgouttelettes en surfusion telles que subies en vol. L'essentiel du travail expérimental a été réalisé sur une soufflerie de givre à petite échelle capable de reproduire des conditions de givrage quasi réalistes nécessaires pour tester la glaciophobicité des surfaces fabriquées. Nous avons étudié l'influence de la mouillabilité et de la rugosité de surface en examinant successivement la dynamique d'impact des gouttelettes, la cinétique de croissance de la glace et le comportement des surfaces nanotexturées.Abstract

Abstract

Atmospheric icing is a challenging problem for aircraft operation and safety. It occurs in flight when clouds of micrometric supercooled water droplets impact and freeze on exposed surfaces, potentially leading to diverse system malfunctions and efficiency losses. These droplets, in an unstable liquid phase, feature diameters in the range of 10 to 50 micrometers, can be cooled to temperatures below -20oC and impact at speeds of tens of meters per second. Current ice protection methods rely on technologies such as heaters or freezing-point depressant chemicals. These are energy-consumptive, environmentally damaging and prone to failure in severe weather. Recently, the development of so-called icephobic surfaces has attracted a lot of research to harness potential properties to prevent ice accretion, facilitate ice shedding or enhanced thermal de-icing. Among these surfaces, superhydrophobic coatings, which combine low surface energy materials and high surface roughness, have been proposed due to their exceptional water repellency. These water-repellent surfaces have been shown to maintain their properties under certain icing conditions, displaying low ice adhesion, droplet repellency in cold environment, or facilitating ice melting and removal. However, the adoption of icephobic surfaces in aerospace applications has been hindered by a lack of research related to their performance under realistic environmental conditions. Aircraft icing conditions require dedicated icing wind-tunnel testing facilities to reproduce realistic atmospheric environment. The wetting and icephobic behavior of superhydrophobic coatings under the combination of micrometric droplets, sub-zero temperatures, and high impact velocity is still largely unexplored. Therefore, the objective of this thesis is to investigate the role of wettability and superhydrophobicity on the icephobicity of engineered surfaces under supercooled water microdroplet icing conditions as experienced by aircraft. The core of the experimental work was performed on a small-scale icing wind-tunnel able to reproduce near-realistic icing conditions needed to test icephobicity of the desired surfaces. We investigated the influence of surface wettability and roughness by looking successively at the droplet impact dynamics, the ice growth kinetics and the behavior of nanotextured surfaces. In the first part of the study, we used ultra-high-speed imaging in the wind-tunnel to record in detail the impact dynamics of microdroplets at different levels of supercooling on four reference surfaces with wettability ranging from smooth near-superhydrophilic to micro/nanotextured superhydrophobic.