항공기 응용 분야를 위한 초소수성 및 Omniphobic한 Ti-6Al-4V 합금 표면의 방빙 및 제빙에 관한 연구

Abstract

Icing forms and grows as supercooled water vapor continuously condense on the solid surface when an aircraft is exposed to a cryogenic environment above the troposphere. Icing forms mainly at the leading edge of the aircraft wing and causes increasing the aerodynamic drag of the aircraft, reducing the aircraft's cruising range and increasing fuel consumption. Titanium alloy has high corrosion resistance and specific strength characteristics and is used for the leading edge of modern aircraft wings. Therefore, to solve the problem of icing on the surface of titanium alloys, in recent years it is being actively researched hydrophobic coatings that lower the surface energy and minimize the area in contact between the surface and water droplets, and silicone oil impregnation technology that improves the mobility of water droplets. In this study, we controlled icing by treating hydrophobic coating and silicone oil immersion, after forming porous and nanotube structures by treating plasma electrolytic oxidation and anodization on a Ti-6Al-4V alloy (Grade 5) base metal. Three experiments were conducted to confirm various ice-phobic effects such as deicing, anti-icing, and icing delay. As a result of the de-icing experiment, the low shear stress was measured on the hydrophobic coated surface, and the increasing the de-icing times, the higher the de-icing force was measured due to damage to the oxide layer. In the silicone oil-impregnated surface, the low de-icing force was maintained even through increasing the de-icing times. As a result of the anti-icing experiment, the hydrophobic coated surface was delayed in icing compared to untreated surfaces, and it had a slower icing delay time in the porous oxide layer than in the nanotube oxide layer. In the silicone oil-impregnated surface, the icing was delayed due to the high mobility of droplets, and a similar trend was shown in the nanotube oxide layer and the porous oxide layer.|항공기의 결빙은 대류권 이상의 높이의 극저온 환경에 노출 시, 과냉각 수증기가 지속적으로 고체 표면에 응결이 되면서 얼음이 형성 및 성장하는 것이다. 결빙은 항공기 날개부의 leading edge에 주로 발생되며, 이는 공기역학적 항력을 증가시켜 항공기의 항속거리를 줄이고, 연료 소비량 증가를 야기시킨다. 타이타늄 합금은 높은 내식성과 비강도 특징을 가져 현대 항공기 날개부의 leading edge에 사용된다. Leading edge의 타이타늄 합금 표면에 발생하는 결빙 문제를 해결하기 위해 최근에는 표면 에너지를 낮춰 표면과 물방울이 닿는 면적을 최소화하는 소수성 코팅, 물방울의 이동성을 향상시키는 오일 담지 기술이 활발하게 연구되고 있다. 본 연구에서는 Ti-6Al-4V 합금(Grade 5) 모재에 Plasma Electrolytic Oxidation 또는 Anodizing을 통해 vermiform 기공 및 나노 튜브 구조의 산화물을 형성한 후, 소수성 처리와 실리콘 오일 담지를 통해 결빙을 완화하는 표면처리를 수행하였다. 제빙, 방빙, 결빙지연 등 다양한 ice-phobic 효과를 확인하기 위해 3가지 실험을 진행하였다. 연구 결과, 제빙 실험 후 소수성 코팅된 표면에서 낮은 전단응력이 측정되었으나, 제빙 주기가 증가함에 따라 산화물 층의 손상으로 높은 전단응력이 측정되었다. 반면, 윤활액이 담지된 표면에서는 제빙 주기가 증가함에도 불구하고 낮은 전단응력이 유지되었다. 방빙 실험에서 소수성 코팅된 표면은 모재에 비해 결빙현상이 지연되었으며, 나노튜브 산화물 층 보다 vermiform 기공 산화물 층에서 결빙 속도가 더 느렸다. 윤활액에 담지된 표면에서는 높은 액적의 이동성으로 인해 결빙현상이 지연되나, 오일이 어는 순간 결빙 현상이 발생한다. 따라서 윤활액이 담지된 표면은 제빙 성능이 우수함을 확인할 수 있었으며, 소수성 표면은 방빙 실험에서 결빙이 지연되거나 결빙이 생기지 않는 우수한 방빙 성능을 확인할 수 있었다.