Nowe połączenie powłok i metod nakładania chroni powierzchnie skrzydeł
W przemyśle lotniczym coraz większą popularność zdobywają polimery wzmacniane włóknami węglowymi. Dzięki sztywności i lekkości, a także gładkości gotowych elementów powierzchnie samolotów, takie jak panele skrzydeł i krawędzie natarcia, są często wykonywane z tych tworzyw sztucznych – dzięki temu możliwe jest ograniczenie oporów powietrza. Niestety, jednym z problemów polimerów wzmacnianych włóknami węglowymi jest ich podatność na erozję. Pyły zawieszone w powietrzu oraz deszcz są dla skrzydeł jak papier ścierny, co wiąże się z koniecznością pokrywania najważniejszych powierzchni – takich jak krawędzie natarcia skrzydeł – specjalnymi powłokami, które pozwalają na ograniczenie zjawiska erozji. Wykorzystywane dotychczas powłoki nie nadają się do tego celu, wymagają bowiem regularnego odświeżania, a ponadto charakteryzują się słabymi właściwościami w zakresie przewodzenia ciepła i elektryczności. W praktyce oznacza to niewielką ochronę przed wyładowaniami atmosferycznymi, a także utrudnione odladzanie i działanie systemów przeciwoblodzeniowych. Z tego powodu przemysł lotniczy stale poszukuje nowych powłok, a zespół finansowanego przez Unię Europejską projektu WINNER właśnie opracował idealne rozwiązanie. Zespół udoskonalił kilka powłok zabezpieczających przed erozją, przeznaczonych do stosowania na powierzchniach skrzydeł o zróżnicowanych właściwościach elektrycznych i termicznych. Celem było zapewnienie pełnej ochrony przed erozją, wyładowaniami atmosferycznymi i oblodzeniem.
Wielowarstwowe powłoki
Opracowane przez zespół powłoki są oparte na warstwach tytanu i azotku tytanu. Tytan jest wytrzymałym, lecz lekkim materiałem, który jest w stanie pochłaniać energię uderzeń. Z kolei azotek tytanu jest twardym, lecz delikatnym materiałem ceramicznym, często wykorzystywanym jako powłoka narzędzi. Jego wadą jest jednak to, że pęka pod wpływem uderzeń. Połączenie obu materiałów pozwala na wykorzystanie ich zalet. „Z tego powodu musieliśmy stworzyć nową strukturę powłoki, która wymagała ułożenia materiałów naprzemiennie w warstwach – można powiedzieć, że przypomina pod tym względem lasagne”, twierdzi Borja Coto, koordynator projektu. Nakładanie powłoki na podłoże – polimer wzmocniony włóknami węglowymi – stanowi jednak pewne wyzwanie. Ze względu na fakt, że tego rodzaju polimery są tworzywami sztucznymi, wszelkie powłoki muszą być nakładane w niskiej temperaturze.
Osadzanie z fazy gazowej
Aby umożliwić wykorzystanie nowego rozwiązania, naukowcy skupieni wokół projektu WINNER zmodyfikowali istniejącą technologię nakładania powłok, nazywaną fizycznym osadzaniem z fazy gazowej, dzięki czemu mogła zostać wykorzystana z nowymi powłokami. W przypadku technologii osadzania z fazy gazowej w komorze próżniowej następuje waporyzacja materiału powłoki, który jest następnie osadzany na powierzchni. Do najważniejszych zalet tej technologii należą możliwość wykorzystania jej do pokrywania różnorodnych materiałów, osadzania pojedynczych i wielu warstw na zróżnicowanych podłożach (w tym polimerach wzmacnianych włóknami węglowymi), a także precyzyjnej kontroli grubości warstwy. Dotychczas nikt nie próbował połączenia ochronnych związków tytanu i metody fizycznego osadzania z fazy gazowej. Rezultaty dotychczasowych testów wskazują, że zastosowanie tej metody do aplikacji nowych powłok zapewnia dobrą ochronę powierzchni przed erozją. „Poziom zapewnianej ochrony przed erozją wywoływaną przez deszcz nadal wymaga pewnego dopracowania”, twierdzi Coto. „Jeśli chodzi o właściwości elektryczne, udało nam się opracować powłoki oferujące pewną oporność, jednak w ramach naszych prac koncentrowaliśmy się przede wszystkim na ochronie przed erozją”. Najważniejszym rezultatem projektu była nowa wiedza na temat złożoności różnych rodzajów erozji powłok nakładanych metodą fizycznego osadzania z fazy gazowej na polimerach wzmacnianych włóknami węglowymi, która będzie kluczowa dla opracowania odpowiednich strategii powlekania. Obecnie zespół zamierza skupić się na optymalizacji opracowanych powłok przy pomocy innych materiałów, takich jak chrom i azotek chromu, które mogą zostać wykorzystane w roli warstw pośrednich pomiędzy tytanem i azotkiem tytanu, co zwiększy ich przyczepność, a tym samym ochronę powierzchni przed oddziaływaniem deszczu. W przyszłości dodanie kolejnych związków w celu dostosowania właściwości elektrycznych powłok może zwiększyć ochronę przed wyładowaniami atmosferycznymi i oblodzeniem. Wszystkie powłoki będą oczywiście wymagały przeprowadzenia testów oraz weryfikacji pod kątem zgodności z normami bezpieczeństwa lotniczego. Naukowcy projektu WINNER utorowali jednak drogę do zastosowania powłok na skrzydłach samolotów w niedalekiej przyszłości. Nowe powłoki stanowią ważny element realizowanych w Europie prac nad zwiększeniem efektywności energetycznej lotnictwa i zmniejszeniem jego negatywnego oddziaływania na środowisko naturalne.
Słowa kluczowe
WINNER, powłoka, erozja, polimery wzmacniane włóknami węglowymi, fizyczne osadzanie z fazy gazowej, skrzydło samolotu, lotnictwo, CFRP, ochrona przed erozją, PVD
