Development of laser induced hierarchical structures on aluminium using short and ultra-short pulsed lasers for modified wettability applications

• Autores: José Teixeira Cardoso
• Directores de la Tesis: José Luis Ocaña Moreno (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2019
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Jesús de Vicente Oliva (presid.), Ángel García Beltrán (secret.), Antonio Giménez Fernández (voc.), Henryk Fiedorowicz (voc.), Francisco Javier Ester Sola (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Mecánica por la Universidad Politécnica de Madrid
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología minera
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
• Resumen

  • Durante esta tesis estructuras de microceldas con diferentes tamaños se han texturizado en placas de Al2024 de 2 mm de espesor, usando láseres de nanosegundo de infra-rojo cercano y ultra-violeta. La influencia de los parametros del láser en la forma y el tamaño de los patrones generados se estudia junto con la evolución temporal de las propriedades de mojabilidade bajo diferentes condiciones de almacionamento. Se ha observado que se consigue la superhidrofobicidad de las muestras mediante el texturizado con láser en un único paso, sin necesidad de tratamientos adicionales. La exposición de las muestras texturizadas con láser al ambiente se revela como uno de los factores clave en el cambio de las propriedades de las muestras con el tiempo. Las texturas generadas con el láser han sido después correlacionadas con las medidas del angulo de contacto, mostrando la enorme influencia de la cantidad de material refundido en las propriedades de hidrofobicidad. La espectroscopia de elétrones por rayos-X ha sido usada para estudiar la influencia de los cambios quimicos superficiales en la hidrofobicidad. Los análisis de la composición elemental demostrarón que las moleculas organicas adsorbidas del aire ambiental son responsables de la transformación en el comportamiento de hidrofílico a hidrofóbico. Las estruturas jerárquicas multi-escaladas fueron fabricadas en Al2024 usando escritura direta por l´aser y texturizado de interferencia directo por láser. Durante el proceso de fabricación dos fuentes de láser distintas han sido usadas, incluyendo un láser ultravioleta de nanosegundos que produce estruturas de microcelda con diferentes dimensiones mediante escritura direta por láser. Posteriormente, una fuente láser de picosegundos se usa para fabricar estruturas sub-micrometricas encima de las microceldas previamente texturizadas. Como consecuencia, las estruturas jerárquicas multi-escaladas suponen una representación mas cercana de lo que se observa en la naturaleza. Mediciones estáticas de ángulo de contacto con agua se han realizado para evaluar la respuesta de mojabilidad de las muestras texturizadas con estruturas jerárquicas, las cuales mostraron superhidrofobicidad tras solo una semana después de su fabricación con ángulos de contacto medidos hasta 161.5 ± 3◦. Las microceldas y las estruturas jerárquicas texturizadas con láser demostraron un comportamiento ultrahidrofobico bajo mediciones estáticas de ángulo de contacto con agua tras 10 semanas desde el proceso de fabricación. Mediciones de corrosión han sido llevadas a cabo y las muestras revelan tener propriedades anti-corrosivas extremadamente efectivas. Las caracte´ısticas del proceso láser han sido correlacionadas con el comportamiento anti-corrosivo de las muestras y los resultados revelan que la distancia de separación entre las microceldas y que la potencia del láser durante el proceso de escritura directa influencian enuermemente las propriedades de corrosión. Se ha encontrado que las muestras texturizadas jerarquicamente estabilizan las propriedades de corrosión y mediante la redución de la distancia de separación entre las microceldas la resistencia a la corrosión mejora hasta un 99.996 % en comparación con los valores originales de referencia. Las medidas en el microscopio electrónico de barrido posteriores a las pruebas de corrosión muestran superficies con daños de pequeño tamaño y las muestras retienen sus propriedades de hidrofobicidad durante todo el proceso. El rendimiento ante la hielofobicidad de las microestruturas tratadas con láser en la superficie de Al2024 en relación a las condiciones ambientales de congelación de aviones en vuelo son evaluadas acerca de su aplicación potencial en aviones. Las microceldas de 35 µm no son capaces de reducir la congelación en condiciones de vuelo. Las microestructuras favorecen el agarre del hielo a la superficie dando lugar a una mayor fuerza interfacial de adhesión. Los resultados obtenidos permiten entender que las microestruturas deben ser mas pequeñas que los tamaños de gota tipicos para evitar la inserciõn y la congelación de las gotas en las estruturas. El estado químico de la superficie no juega un papel importante en los resultados sobre la adhesión del hielo. Además, la superhidrofobicad de los tratamientos de un solo paso con láser se pierde tras 16 ciclos consecutivos de congelado y descongelado. La pérdida de superhidrofobicad puede atribuirse a la fragilidad de la capa no polar de carbono adsorbida en la superficie. Un agente hidrofóbico ha sido usado para inducir quimicamente superhidrofobicidad en las muestras. Los resultados de esas muestras tras 16 ciclos de congelado y descongelado revelan que las mismas preservan su hidrofobicidad, demostrando los beneficios de un proceso en dos pasos para conseguir propriedades superhidrofobicas durables en aplicaciones aeronauticas. Los resultados que han sido obtenidos durante el desarollo de la presente tesis doctoral abren el camino para la integración total de superficies superhidrofobicas texturizadas con láser en muchos campos de la industria.