Pokročilé hydrofobní a hydrofilní povrchové úpravy pro nejadernou energetiku
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT
Abstract
V současnosti lze zaznamenat zvýšený zájem o studium pevných povrchů se specifickou smáčivostí (hydrofilní/superhydrofilní a hydrofobní/superhydrofobní) s ohledem na širokou škálu jejich potenciálních aplikací, mezi které patří například snížení aerodynamického odporu, ochrana proti námraze/odmrazování, korozní odolnost, ochrana proti biologickému znečištění, schopnost samočištění povrchů, apod. Způsoby přípravy takových povlaků však zahrnují sofistikované vícestupňové postupy, které jsou nákladné a neposkytují dostatečnou odolnost hydrofilního/hydrofobního chování takto modifikovaného povrchu. Předkládaná disertační práce je zaměřena na (i) vývoj technologického způsobu výroby hydrofilních/hydrofobních povlaků z materiálů odolných proti opotřebení s využitím technologie žárového nástřiku; a (ii) studium připravených povlaků, analýza jejich mechanických vlastností a kvality smáčivosti jejich povrchu. První část práce obsahuje úvod do teorie smáčivosti, volné povrchové energie, hydrofilních/superhydrofilních a hydrofobních/superhydrofobních povrchových úprav a přehled technologií žárových nástřiků. V rámci druhé, experimentální, části byly připraveny povlaky na bázi Al2O3, Cr2O3-SiO2-TiO2, YSZ a WC-Co-Cr a analyzováno jejich smáčivé chování s ohledem na topografii jejich povrchu. Dále byly studovány povlaky YSZ s lamelární a kolumnární mikrostrukturou, s ohledem na posouzení vlivu struktury povlaku na smáčivé chování. Prezentován je zde rovněž modifikovaný povlak s využitím vysokofrekvenčního plasmatu. V závěrečné fázi experimentů byly použity tři rozdílné prášky na bázi WC-Co-Cr pro výrobu povlaků odolných proti opotřebení s tzv. více stupňovou povrchovou topografií povrchu této aktivity. V rámci bylo zjištěno, že kombinace hrubého prášku s ultra jemnými (~500 nm) WC částicemi umožňuje vznik optimální povrchové topografie s velmi vysokou hydrofobností, kterou lze dále optimalizovat do superhydrofobního stavu pomocí dodatečné modifikace olejem na bázi Si. V poslední části práce byla u tohoto typu povlaku stanovena odolnost smáčivosti vzorků WC-Co-Cr pomocí testu odezvy na otěr v abrazivní suspenzi a testu odolnosti vůči kavitační erozi.
Particular interest is given to solid surfaces with specific wetting behavior (hydrophilic/superhydrophilic and hydrophobic/superhydrophobic) due to their wide range of potential applications such as drag-reducing, anti-icing/de-icing, corrosion-resistant, anti-biofouling, self-cleaning, etc. surfaces. However, the production ways of such coatings are sophisticated multi-step procedures, which are expensive and do not provide sufficient robustness of the hydrophilic/hydrophobic wetting behavior. The doctoral thesis is focused on (i) the development of a technological way to fabricate hydrophilic/hydrophobic coatings from wear-resistant materials utilizing thermal spraying technology; (ii) a detailed investigation of deposited coatings, analysis of their mechanical properties and the robustness of their wetting behavior. The first part of the thesis represents a theoretical background on the wetting behavior, surface free energy, hydrophilic/superhydrophilic and hydrophobic/superhydrophobic coatings and thermal spraying technology. In the second part, Al2O3, Cr2O3-SiO2-TiO2, YSZ and WC-Co-Cr plasma-sprayed coatings were fabricated, and their wetting behavior was analyzed concerning their surface topography. Furtherly, several YSZ coatings with lamellar and columnar microstructures were studied to investigate the role of the microstructure on their wetting behavior. The effect of RF-plasma jet surface treatment is also presented. Finally, three different powder feedstocks of WC-Co-Cr were utilized to fabricate wear-resistant coatings with the so-called multi-scale surface topography. It was found that the combination of a coarse powder with ultra-fine (~500 nm) WC particles provides an optimal surface topography with a very high hydrophobicity that furtherly can be tuned into the superhydrophobic state after the additional Si-oil treatment. In the last part, the robustness of the wetting behavior of WC-Co-Cr samples was estimated by the slurry abrasion response test and the cavitation erosion resistance test.
Particular interest is given to solid surfaces with specific wetting behavior (hydrophilic/superhydrophilic and hydrophobic/superhydrophobic) due to their wide range of potential applications such as drag-reducing, anti-icing/de-icing, corrosion-resistant, anti-biofouling, self-cleaning, etc. surfaces. However, the production ways of such coatings are sophisticated multi-step procedures, which are expensive and do not provide sufficient robustness of the hydrophilic/hydrophobic wetting behavior. The doctoral thesis is focused on (i) the development of a technological way to fabricate hydrophilic/hydrophobic coatings from wear-resistant materials utilizing thermal spraying technology; (ii) a detailed investigation of deposited coatings, analysis of their mechanical properties and the robustness of their wetting behavior. The first part of the thesis represents a theoretical background on the wetting behavior, surface free energy, hydrophilic/superhydrophilic and hydrophobic/superhydrophobic coatings and thermal spraying technology. In the second part, Al2O3, Cr2O3-SiO2-TiO2, YSZ and WC-Co-Cr plasma-sprayed coatings were fabricated, and their wetting behavior was analyzed concerning their surface topography. Furtherly, several YSZ coatings with lamellar and columnar microstructures were studied to investigate the role of the microstructure on their wetting behavior. The effect of RF-plasma jet surface treatment is also presented. Finally, three different powder feedstocks of WC-Co-Cr were utilized to fabricate wear-resistant coatings with the so-called multi-scale surface topography. It was found that the combination of a coarse powder with ultra-fine (~500 nm) WC particles provides an optimal surface topography with a very high hydrophobicity that furtherly can be tuned into the superhydrophobic state after the additional Si-oil treatment. In the last part, the robustness of the wetting behavior of WC-Co-Cr samples was estimated by the slurry abrasion response test and the cavitation erosion resistance test.
Description
Keywords
smáčivost, povrchová volná energie, hydrofobní povlaky, superhydrofobní povlaky, technologie žárového nástřiku, povrchová topografie, odolnost proti opotřebení, wetting behavior, surface free energy, hydrophobic coatings, superhydrophobic coatings, thermal spray technology, surface topography, wear-resistance
Citation
KOMAROV, P. Pokročilé hydrofobní a hydrofilní povrchové úpravy pro nejadernou energetiku [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT. 2022.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Pokročilé nanotechnologie a mikrotechnologie
Comittee
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (předseda)
Ing. Jan Kudláček, Ph.D. (člen)
prof. Lech Pawlowski (člen)
doc. Ing. Pavel Ctibor, Ph.D. (člen)
prof. Robert Vaßen (člen)
Date of acceptance
2022-03-23
Defence
Disertační práce pana Komarova je zaměřena na vývoj technologického způsobu výroby hydrofilních/hydrofobních povlaků z materiálů odolných proti opotřebení s využitím technologie žárového nástřiku; a studium připravených povlaků, analýza jejich mechanických vlastností a kvality smáčivosti jejich povrchu. Studium smáčivosti má praktický význam v mnoha aplikacích počínaje biologickým znečištěním důležitým pro lodě až po odolnost proti korozi důležitou u částí, které jsou v kontaktu s vodním prostředím. Procesy žárového nástřiku umožňují relativně levné nanášení všech typů materiálů a důležité je systematické studium smáčivosti povrchů povlaků získaných různými technikami. Téma je aktuální a stanovené cíle byly splněny. Výsledky disertace byly publikovány ve dvou vysoce renomovaných impaktovaných časopisech Journal of Thermal Spray Technology a lnternational Journal of Refractory Metals and Hard Materials), prezentovaných na pěti mezinárodních konference a publikované ve dvanácti konferenčních rukopisech (uvedené ve WoS a/nebo Scopus). Navíc je také doktorand spoluautorem jednoho funkčního vzorku. V průběhu obhajoby Ing. Komarov přesvědčivě prokázal svou vysokou odbornost v dané oblasti výzkumu. Své výsledky prezentoval v angličtině a na dotazy oponentů a členů komise odpověděl výborně.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení