Rodríguez Trías, RafaelRivero Fuente, Pedro J.Vicente Gómara, Adrián2024-03-142024-03-1420242024-03-0710.48035/Tesis/2454/47709https://academica-e.unavarra.es/handle/2454/47709La formación y acumulación de hielo supone un riesgo en la seguridad de los aviones durante todas las fases de vuelo, especialmente cuando la aeronave se encuentre a media-baja altitud y su velocidad sea lenta (despegue-ascenso y aproximación-aterrizaje). Actualmente, la mayoría de las aeronaves poseen sistemas activos de deshielo y/o anti hielo. Sin embargo, las condiciones severas conducirán a que tarde o temprano se produzca hielo en este tipo de sistemas. Por lo que será necesario la combinación de estrategias pasivas y activas para prevenir la formación de hielo y su posterior eliminación. De esta forma, los sistemas pasivos como el desarrollo de recubrimiento hielofóbicos contribuirán a un menor consumo de energía en los activos. En este estudio, se han desarrollado recubrimientos hielofóbicos a través de una estrategia novedosa basada en superficies compuestas por fibras o partículas con polímeros de baja energía superficial. Tanto la distribución de fibras aleatorias como la coalescencia de partículas dan lugar a estructuras multinivel a micro y nanoescala que son propicias para la optimización de superficies superhidrofóbicas. Estas estructuras contribuirán a reducir la mojabilidad de las gotas de agua (α > 150°) y obtener una alta movilidad, claves para prevenir la formación de hielo (anti-hielo). A su vez, estas superficies actuarán como una barrera protectora frente a la corrosión en aleaciones metálicas de uso aeronáutico. Por un lado, reduciendo la interación de la superficie con el agente corrosivo y por el otro lado, encapsulando inhibidores de corrosion en las fibras, como por ejemplo óxidos metálicos (ZnO NPs). No obstante, las condiciones severas provocarán la formación hielo debido a la aparición de microgotas dentro de las cavidades de la estructura rugosa, que originarán la nucleación del hielo. Una vez formado el hielo, las superficies presentarán una alta adhesión al hielo (65 kPa), generado por el anclaje o entrelazamiento de la capa de hielo con las texturas de la superficie y que ocasionarán la delaminación de la superficie debido al fallo cohesivo de las fibras tras varios ciclos del ensayo de adhesión al hielo. Por esta razón, las superficies superhidrofóbicas en la medida en que retrasen o eviten la nucleación del hielo en las cavidades de su estructura, contribuirán a un mejor rendimiento anti-hielo y a una menor adhesión al hielo (mejorando el deshielo). Por ello, con el fin de optimizar el comportamiento hielofóbico, estas superficies fibrosas serán idales para el desarrollo de superficies porosas impregnadas de líquidos deslizantes, conocidas como SLIPS. Para ello, la capa de aire atrapada entre las texturas de la superficie y las gotas de agua, es sustituida por un lubricante a base de líquidos orgánicos y con baja energía superficial. Esta interfaz provocará una alta movilidad de las gotas (α < 10°) y que la nucleación se vea desfavorecida, lo que contribuye al retaso de la congelación y una ultra baja adhesión al hielo (4,5 kPa). Sin embargo, tras varios ciclos sin infusionar, la adhesión al hielo se verá incrementada (30 kPa) ocasionada por la pérdida de la capa lubricante y que a su vez ocasionará delaminaciones del material por la nucleación del hielo en las cavidades. Por esta razón, las propiedades hielofóbicas de estas superficies dependenrán de la capacidad de retener el lubricante, así como una buena afinidad y estabilidad química del lubricante con las fibras. Para la fabricación de las fibras se ha utilizado la técnica de electrospinning, donde se ha aplicado un diseño de experimentos (DoE) con el fin de comprender la relación entre los parámetros de entrada y salida del sistema, así como construir un modelo extrapolable a otros sistemas de polímeros que permita su optimización respecto a la morfología superficial, ángulo de contacto con el agua (WCA) y velocidad de corrosión. Ademas, se ha utilizado la técnica de electrospinning en combinación con otras técnicas (spin coating y electrospraying) para la obtención de superficies con estructuras basadas en coalescencia de partículas y que, además, doten de una buena adherencia al sustrato tras diferentes tratamientos térmicos. Por último, se han obtenido fibras compuestas por nanopartículas de polímeros no electrospineables, dando lugar a fibras de nuevos materiales. Para caracterizar el rendimiento hielofóbico de las superficies desarrolladas, se han utilizado diferentes metodologías, que han permitido analizar la adhesión al hielo, así como la cantidad de hielo acumulado en función de sus condiciones de formación y comparar su rendimiento respecto a diferentes materiales repelentes al hielo, incluyendo soluciones comerciales y tendencias actuales. Para ello, se han reproducido las condiciones reales de formación de hielo en vuelo mediante un túnel de hielo, obteniendo tanto hielo claro como granulado, así como ensayar el fenómeno de runback o hielo secundario. Finalmente, se ha realizado un estudio comparativo de la adhesión al hielo mediante hielo estático fomado en molde, utilizando diferentes intalaciones del ensayo de adhesión y suponiendo un paso hacia la estandarización de las propiedades hielofóbicas de los recubrimientos diseñados a lo largo de esta Tesis.The formation and accreation of ice is a safety risk for aircraft during all phases of flight, especially when the aircraft is at medium-low altitude and flying at low speeds (take off-ascent and approach-landing). Currently, most aircraft are equipped with active de-icing and/or anti-icing systems. However, severe conditions will inevitably lead to ice formation in these systems. Therefore, a combination of passive and active strategies will be necessary to prevent ice formation and its subsequent removal. In this way, passive systems such as the development of icephobic coatings will contribute to lower energy consumption in active systems. In this study, icephobic coatings have been developed through a novel strategy based on surfaces composed of fibres or particles with low surface energy polymers. Both random fibre distribution and particle coalescence result in micro/nano level structures that are suitable for the optimisation of superhydrophobic surfaces. These structures will contribute to reduce the wettability of water droplets and achieve high mobility (α < 5°), key to prevent ice formation (anti-icing). In addition, these surfaces will act as a protective barrier against corrosion in aerospace metallic alloys. On the one hand, by reducing the surface interaction with the corrosive agent and on the other hand, by encapsulating corrosion inhibitors such as metal oxides (ZnO NPs) in the fibres. Nevertheless, severe conditions will lead to ice formation due to the presence of micro droplets within the cavities of the rough structure, creating ice nucleation. Once ice has formed, the surfaces will exhibit high ice adhesion (65 kPa), generated by the anchorage or interlocking of the ice layer with the surface textures. This will result in Surface delamination due to the cohesive failure of the fibers after multiple ice adhesion test cycles. For this reason, the superhydrophobic surfaces that delay or prevent ice nucleation within the cavities of their structures, will provide a better anti-icing performance and reduced ice adhesion (improved de-icing). Therefore, in order to optimize the icephobic behavior, these fibrous surfaces are ideal for the development of porous surfaces infused with slippery liquids, known as SLIPS. Where the layer of air trapped between the surface textures and water droplets is replaced by a lubricant based on organic liquids with low surface energy. This interface results in high droplet mobility (α < 10°) and hinders nucleation, contributing to delay freezing and ultra-low ice adhesion (4.5 kPa). However, after several cycles without re-infusion, the ice adhesion will increase (30 kPa) due to the loss of the lubricant layer and leading to material delamination caused by ice nucleation in the cavities. For this reason, the icephobic properties of these surfaces will depend on the ability to retain the lubricant, as well as a good affinity and chemical stability of the lubricant with the fibres. The electrospinning technique has been used to fabricate the fibres, where a design of experiments (DoE) was applied to understand the relationship between the input and output parameters of the system, as well as to create a model that can be extrapolated to other polymer systems, in order to optimize the surface morphology, water contact angle (WCA) and corrosion rate. Furthermore, the electrospinning technique has been used in combination with spin coating and electrospraying techniques to obtain surfaces with structures based on particle coalescence while ensuring good substrate adhesion after various heat treatments. In addition, fibers composed of non-electrospinnable polymer nanoparticles have been obtained, resulting in fibers of new materials for the first time. In order to characterize the icephobic performance of the developed surfaces, various methodologies have been used to analyze ice adhesion and the amount of ice acreation under different icing conditions and to compare their performance with different antiicing materials, including commercial solutions and current trends. For this purpose, real icing conditions in flight have been reproduced within an icing wind tunnel, generating both glaze and rime ice, as well as testing the running wet icing mechanisms and direct impingement of supercooled droplets. Finally, the ice adhesion has been studied and compared using static ice formed in mould, using different ice adhesion test facilities and representing a step forward in the standarization efforts of icephobic surfaces designed along this Thesis.XIV, 215 p.application/pdfspaCreative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0)Recubrimientos hidrofóbicos anti-hieloMateriales metálicosAplicaciones aeronáuticasinfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessAcceso abierto / Sarbide irekia