Développement et modélisation de surfaces superhydrophobes avec de faible adhésion à la glace, pour une application aéronautique

Development and modelling of engineered surfaces with low ice adhesion properties for an aeronautical application

• Auteur / Autrice : Martin Huré
• Direction : Philippe Olivier, Julien Garcia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 14/01/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gelareh Momen, Zhiliang Zhang

Mots clés

Mots clés contrôlés

Avions -- Matériaux

Avions -- Givrage -- Prévention

Industrie aéronautique

Mots clés libres

Glaciophobe

Surface

Revêtement

Glace

Adhésion

Zone cohésive

Icephobic

Surface

Coating

Ice

Adhesion

Cohesive zone

Résumé

La formation de givre en vol constitue une menace pour la sécurité des aéronefs. L’accumulation de glace sur les surfaces aérodynamiques entraine une augmentation du poids et une réduction de la portance, qui en cas d’exposition prolongée, peut provoquer le décrochage de l’aéronef. Une méthode de dégivrage répandue consiste à prélever de l’air chaud du moteur pour chauffer les surfaces exposées de l’appareil. Bien qu’efficace pour réduire le risque lié au givrage, les systèmes de dégivrage consomment une énergie conséquente. Aujourd’hui, le besoin d’aéronef moins polluant conduit à envisager des méthodes de dégivrage avec une consommation énergétique réduite. Ces vingt dernières années, des résultats prometteurs ont été obtenu avec des surfaces dites « glaciophobes » qui retardent la formation de givre, réduisent l’adhésion de la glace, ou évacuent les gouttelettes issues des nuages avant qu’elles ne se transforment en glace. Une compréhension fine des mécanismes par lesquels ces propriétés antigivre sont obtenues est importante pour concevoir des surface glaciophobes efficaces. Cependant, ces mécanismes demeurent en partie incompris. La relation entre les propriétés de mouillage de la surface et son aspect glaciophobe fait l’objet de contradiction dans la littérature. La prise en compte de la rugosité de surface complexifie l’analyse, puisqu’elle introduit des phénomènes d’ancrage mécanique à l’interface glace/substrat. C’est particulièrement vrai pour les surfaces superhydrophobes, qui présentent une micro/nano-texture de surface. Ces interactions mécaniques à l’interface ne sont pas entièrement comprises, ce qui limite le développement de modèles numériques pour étudier l’effet de la microtexture sur l’adhésion de la glace. Un autre aspect majeur des surfaces glaciophobes, peu étudié à ce jour, est leur durabilité dans un environnement aéronef. Les objectifs de cette thèse sont de fournir une description mécanique de l’interface glace/substrat, vérifier les relations entre mouillabilité et adhésion, modéliser numériquement l’effet des surface glaciophobes sur l’adhésion, et caractériser la résistance à l’érosion de ces surfaces. Pour cela, la mouillabilité et l’adhésion en cisaillement de la glace à 20 revêtements différents ont été mesuré et étudié. Des échantillons ont été soumis à un test de flexion 4 points pour mesurer le taux de restitution d’énergie à l’interface avec la glace. Les résultats concordent avec ceux obtenus via un modèle numérique comprenant des zones cohésives pour reproduire l’interface, ce qui montre la pertinence de cette méthode de modélisation. Par la suite, une surface superhydrophobe microtexturée a été designée à l’aide d’un modèle thermodynamique, puis fabriqué avec un laser nanoseconde. L’adhésion en cisaillement de la glace sur ces surface microtexturée a été mesurée, et des analyses fractographiques ont permis d’identifier les modes de fracturation. Une approche semi-analytique est proposée pour modéliser l’effet de la microtexture sur l’adhésion de la glace. Cette approche a fourni des résultats en concordance avec les résultats expérimentaux, et s’avère prometteuse pour implémenter le comportement de surface superhydrophobes dans des modèles numériques de systèmes plus complexes, comme une aile d’avion. Enfin, la résistance à l’érosion pluie de substrats microtexturés aluminium et titane a été étudiée.

In-flight icing has been a major threat to aircraft safety since the beginning of aviation. The build-up of ice upon the aerodynamic surfaces of planes can lead to increased weight, along with reduced lift and thrust. In case of prolonged exposure, the aircraft may stall and recovery may be impossible. A widespread approach to mitigate the risk related to atmospheric icing consists of distributing hot air bled from the engines to wings, tails and air inlet. Although very effective, de-icing methods consume a significant amount of energy. This is becoming increasingly of concern as the need of commercial aircraft with reduced environmental footprint is pressing. In the last twenty years, a widespread interest has been given to icephobic coatings enabling to passively delay ice formation, to lower ice adhesion and to facilitate water droplet shedding before it freezes onto aircrafts outer surfaces. A comprehensive understanding of the mechanisms from which surface properties enable icephobicity is a prerequisite to design efficient ice-repellent coatings. This is particularly true in the field of aircraft icing, as the cost of replicating atmospheric icing conditions in laboratory limits trials and errors testing strategies. Although efforts were made to predict icephobicity from surface wetting properties, papers present contradictory results. As such, the relationship between ice-repellency and wettability remains an open problem. The consideration of surface roughness makes the analysis more complex, as it induces mechanical locking phenomenon at the ice/substrate interface. This is especially true for superhydrophobic surfaces exhibiting micro/nano-texture. However, the mechanical interactions between the surface texture and ice are poorly understood, and to date, numerical models accounting for the effect of microtexture on ice adhesion do not exist. This limits the development and design of superhydrophobic surfaces to empirical approaches. Another major concern for the implementation of icephobic surfaces on aircraft is their durability, which remains barely investigated. The present study aims at: (i) providing a mechanical description of ice/substrate interface; (ii) verifying the relationships between wetting properties and ice adhesion that are reported in the literature; (iii) include the effect of icephobic coatings in numerical debonding models, and, in the case of superhydrophobic surfaces, take into account the effect of substrate microstructure; (iv) assess the erosion durability of microtextured substrates subjected to conditions representative of in-flight environment. In order to that, the wetting properties and shear ice adhesion strength of twenty coatings were characterized, and the relationship between both of these physical properties was studied. Sample surfaces were subjected to four-point bending test to measure the energy release rate at the interface with ice. The data were compared to results obtained with a finite element model comprising cohesive elements to simulate the interface. Good agreement between experimental and numerical results was found, thus showing the relevance of the cohesive zone modelling techniques. Then, a superhydrophobic surface was designed with a thermodynamic model, and manufactured with a nanosecond laser on Al 2024 substrates. Shear ice adhesion strength measurement were performed, along with fractography analyses to assess the mode of fracture. Based on these observations, a semi-analytical approach was proposed to model the effect of the microstructure on ice adhesion. This semi-analytical approach provided values in good agreement with experimental results, and could be further developed to implement the behavior of superhydrophobic surfaces into de-icing models of more complex system, such as airfoil. Finally, the rain erosion resistance of microtextured aluminum and titanium substrates was investigated