Fabrication of multifunctional aluminum surfaces using laser-based texturing methods

Autor: Milles, Stephan
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2021
Předmět:
Druh dokumentu: Text<br />Doctoral Thesis
Popis: Nature-inspired surfaces provide an endless potential for innovations and exploitations in material science and engineering for a broad range of applications. Particularly, significant progress has been achieved in the fields of ice formation and wetting phenomena on metallic surfaces. One of the most relevant wetting states is superhydrophobicity, which is characterized by the complete repellency of water droplets upon impinging on a surface. A superhydrophobic surface can be accompanied by additional functions such as anti- icing, corrosion-resistance or self-cleaning. A particularly attractive material to implement functional surfaces is aluminum, due to its outstanding mechanical properties such as lightweight and high strength combined with an excellent electrical conductivity and affordable price. Functionalized aluminum surfaces can further increase the added value of technical aluminum products which are used in the automotive, aerospace and life science industry among others. A promising strategy to achieve multifunctionalities is by fabricating micrometer and submicrometer features on the material’s surface. Thus, surface texturing of aluminum components is an extremely relevant topic in science and engineering which affects all facets of our lives. Until now, micropatterned aluminum surfaces, that combine water- repellent, self-cleaning and icephobic properties, have not yet been completely explored. The present doctoral thesis focuses on structuring aluminum substrates to fabricate multifunctional surfaces with superhydrophobic, self-cleaning and anti-icing properties. To accomplish this goal, scanner-based direct laser writing (DLW) and two- and four-beam direct laser interference patterning (DLIP) are applied to pattern micrometer and sub- micrometer features on aluminum. They are employed separately to fabricate single-scale textures, as well as in combination in order to obtain multi-scale geometries and complex patterns. The laser texturing parameters are optimized to maximize the addressed functionalities and their influence on the microstructure are studied. In order to explain the wetting and freezing behavior of the functional surfaces, numerical heat transfer simulation models are applied. The most promising textures are then selected and tested under realistic icing conditions simulating the freezing behavior of water droplets on aircraft parts during flight. Moreover, a new method to characterize the self-cleaning efficiency of laser-patterned aluminum is developed. The textured aluminum surfaces attained a water-repellent functionality with a static water contact angle of up to 163° and a sliding angle of 12° without chemical post-processing. This functionality permitted a self-cleaning property where the DLIP and DLW+DLIP structures provided a maximum self-cleaning efficiency with remaining contamination as low as 1 %. The ice-repellent characterization at a temperature of -20°C revealed that in all investigated laser-structured surfaces the freezing time of 8 μl droplets increased up to three times compared to an unstructured reference. Moreover, it was demonstrated, that optimized surface textures led to a reduction of the ice adhesion strength by up to 90 %.:Selbstständigkeitserklärung Kurzfassung Abstract Acknowledgements Table of content List of abbreviations and symbols 1 Motivation 2 Theoretical principles and definitions 3 State of the art 4 Materials and methods 5 Results and discussion 6 Conclusions 7 Outlook Literature Curriculum vitae of the author List of publications
Von der Natur inspirierte Oberflächen bergen ein endloses Potential für Innovationen auf den Gebieten der Materialwissenschaft und demonstrieren ein breites Anwendungsfeld. Insbesondere in den Bereichen der Eisbildung und der Benetzungsphänomene auf Metalloberflächen wurde ein bedeutender Fortschritt erzielt. Einer der relevantesten Benetzungszustände ist der der Superhydrophobizität, welcher sich durch die vollständige Abweisung von Wassertropfen auszeichnet, sobald diese auf eine Oberfläche auftreffen. Eine superhydrophobe Oberfläche kann von zusätzlichen Funktionen wie Vereisungsschutz, Korrosionsbeständigkeit oder Selbstreinigung begleitet werden. Dabei ist besonders der Werkstoff Aluminium zur Realisierung funktionaler Oberflächen attraktiv, aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften wie etwa ein geringes Gewicht und eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig hervorragender elektrischer Leitfähigkeit ergänzt durch einen günstigen Preis. Funktionalisierte Aluminiumoberflächen können die Wertschöpfung von technischen Aluminiumprodukten deutlich erhöhen. Diese werden u.a. im Automobilsektor, in der Luft- und Raumfahrtindustrie oder im Life-Science-Bereich eingesetzt. Ein vielversprechender Ansatz zur Realisierung multifunktionaler Eigenschaften basiert auf der Herstellung von Mikrometer- und Submikrometer-Strukturen auf der Oberfläche. Daher stellt die Texturierung von Aluminiumkomponenten ein äußerst relevantes Thema in der Wissenschaft und Technik dar, da sie sämtliche Facetten unseres täglichen Lebens tangiert. Bis heute sind laser-strukturierte Aluminiumoberflächen, die wasserabweisende, selbstreinigende und eisabweisende Eigenschaften vereinen, noch nicht vollständig erforscht. Die zugrunde liegende Dissertation thematisiert die Strukturierung von Aluminiumsubstraten zur Herstellung multifunktionaler Oberflächen mit superhydrophoben, selbstreinigenden und vereisungsmindernden Eigenschaften. Dafür, werden direktes Laserschreiben (engl. Direct laser writing, DLW) sowie die direkte Laserinterferenzstrukturierung (engl. Direct laser interference patternin, DLIP) auf Aluminium angewendet. Die Verfahren werden sowohl separat zur Herstellung von einskaligen Texturen als auch in Kombination eingesetzt, um mehrskalige komplexe Muster zu fertigen. Die Strukturierungsparameter werden zur Maximierung der erwähnten Eigenschaften hin optimiert, und ihr Einfluß auf die Mikrostruktur wird untersucht. Um das Benetzungs- und Vereisungsverhalten der funktionalisierten Oberflächen zu erklären, werden numerische Simulationsmodelle eingesetzt. Die vielversprechendsten Texturen werden unter realistischen Vereisungsbedingungen getestet, welche das Gefrierverhalten von Wassertropfen auf Flugzeugbauteilen während des Fluges simulieren. Darüber hinaus wird eine neue Methode zur Charakterisierung der Selbstreinigungseffizienz von laserstrukturiertem Aluminium entwickelt und angewendet. Die texturierten Aluminiumoberflächen erhielten ohne chemische Nachbearbeitung eine wasserabweisende Funktionalität mit einem statischen Wasserkontaktwinkel von bis zu 163° und einem Gleitwinkel von 12°. Diese Funktionalität ermöglichte eine Selbstreinigungseigenschaft, bei der die DLIP- und DLW+DLIP-Strukturen die höchste Effizienz mit einer Restverunreinigung von bis zu 1 % erzielten. Die eisabweisende Charakterisierung bei einer Temperatur von -20°C offenbarte, dass bei allen untersuchten laserstrukturierten Oberflächen die Vereisungszeit von 8 μl Wassertropfen bis um das Dreifache anstieg, im Vergleich zur unstrukturierten Referenz. Darüber hinaus konnte demonstriert werden, dass optimierte Oberflächentexturen zu einer Reduzierung der Eis- Adhäsionskraft um bis zu 90 % führten.:Selbstständigkeitserklärung Kurzfassung Abstract Acknowledgements Table of content List of abbreviations and symbols 1 Motivation 2 Theoretical principles and definitions 3 State of the art 4 Materials and methods 5 Results and discussion 6 Conclusions 7 Outlook Literature Curriculum vitae of the author List of publications
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