Development of nanostructured coatings for protecting the surface of aluminum alloys against corrosion and ice accretion = Développement de revêtements nanostructurés pour protéger la surface des alliages d'aluminium contre la corrosion et l'accumulation de glace

摘要

Ice and wet snow accretion on outdoor structures is a severe challenge for cold climate countries. A variety of de-icing and anti-icing techniques have been developed so far to counter this problem. Passive approaches such as anti-icing or icephobic coatings that inhibit or retard ice accumulation on the surfaces are gaining in popularity.udMetal corrosion should also be taken into account as metallic substrates are subject to corrosion problems when placed in humid or aggressive environments. Development of any ice-releasing coatings on aluminum structures, as they must be durable enough, is therefore closely related to anti-corrosive protection of that metal.udAccordingly, series of experiments have been carried out to combine reduced ice adhesion and improved corrosion resistance on flat AA2024 substrates via thin films of single and double layer alkyl-terminated SAMs coatings. More precisely, alkyl-terminated aluminum substrates were prepared by depositing layer(s) of 18C-SAMs on BTSE-grafted AA2024 or mirror-polished AA2024 surfaces. This alloy is among the most widely used aluminum alloys in transportation systems (including aircraft), the military, etc. The stability of the coatings in an aggressive environment, their overall ice-repellent performance as well as their corrosion resistance was systematically studied.udThe stability of one-layer and two-layer coatings in different media was tested by means of CA measurements, demonstrating gradual loss of the hydrophobic property after ~1100-h-long immersion in water, associated by decrease in water CA. Surface corrosion was observed in all cases, except that the double-layer coating system provided improved anti-corrosive protection.udAll single layer coatings showed initial shear stress of ice detachment values of ~1.68 to 2 times lower than as-received aluminum surfaces and about ~1.22 to 1.5 times lower than those observed on mirror-polished surfaces. These values gradually increased after as many as 5 to 9 successive icing/de-icing cycles, implying a certain amount of decay of the coatings. The double-layer coating system initially showed shear stress of ice detachment values about ~2 times lower than as-received aluminum surfaces and ~1.5 times lower than those observed on mirror-polished aluminum surfaces as references. These values gradually increased after as many as 9 successive icing/de-icing cycles.udIn addition, the hydrophobic property of coated surfaces was investigated after the icing/de-icing cycle to study their stability after ice releasing, showing therein a decrease in CA values. As a result, the ice-releasing performance of coated samples was found to be time-dependent.udThe electrochemical studies demonstrated that the corrosion potential of samples covered by single layer hydrophobic coatings increased slightly while their corrosion current density decreased as compared to bare substrate. However, the corrosion potential of samples covered by double-layer hydrophobic coatings increased significantly, and their corrosion current density decreased by 4 orders of magnitude as compared to those on the uncoated samples. These results showed that the used under layer on AA2024 provides particularly enhanced corrosion resistance which would be an excellent approach to improve the anti-corrosive performance of metallic surfaces for outdoor application instead of current-in-use toxic chromate-based coatings. In addition, the electrochemical impedance spectroscopy survey showed a higher phase angle and thus a lower ionic permeation for the double layer coating system, leading to a better insulating property of that coating. These evidences confirm that the BTSE/18C-SAMs behaves close to an ideal capacitor compared to 18C-SAMs alone, as a leaky capacitor. On the other hand, based on results obtained from total impedance vs. frequency, the impedance values are higher for double layer coating compared to single coating, indicating thereby a more packed film with fewer defects.udFinally, this research work revealed the feasibility of preparing coatings combining reduced adhesion of ice to aluminum surfaces and protection against corrosion.ududL’accumulation de glace et de neige mouillée sur les structures est un problème important pour les pays àudclimat froid. Pour contrer ce problème, différentes techniques de dégivrage et d'antigivrage ont étéuddéveloppées. De nouvelles méthodes, plus efficaces, consistant en la création de revêtements antigivreudou glaciophobes pour inhiber ou retarder l'accumulation de glace gagnent en popularité.udLa corrosion des surfaces métalliques devrait également être prise en compte parce que les substratsudmétalliques sont soumis à un environnement humide et agressif. Le développement de tout revêtementudglaciophobe sur des surfaces d’aluminium est donc étroitement lié à la protection anticorrosive du métal.udEn conséquence, une série d’expériences a été menée dans le but de réduire l’adhésion de la glace etudd’améliorer la résistance à la corrosion des substrats plats d’alliage AA2024 par l’utilisation desudrevêtements minces SAMs terminés en alkyle disposés en une couche ou une double-couche. Plus précisément, ces revêtements terminés en alkyle ont été préparés par dépôt de couche(s) de 18C-SAMs sur un film BTSE greffé à l’alliage AA2024 ou sur une surface polie miroir de ce dernier. Cet alliage est parmi les alliages d’aluminium les plus largement utilisés dans les systèmes de transport, y compris les aéronefs, dans l'industrie de l'énergie électrique, etc. La stabilité des revêtements dans des environnements agressifs, leur performance glaciophobe ainsi que leur influence sur la résistance à la corrosion de l’aluminium ont été systématiquement étudiées. La stabilité des revêtements en une ou deuxudcouches dans différents milieu a été testée au moyen de mesures d’angle de contact (AC), ce qui a permis de démontrer une perte progressive de la propriété hydrophobe après 1100 h d’immersion dans l'eau, associée à la diminution de AC. Une corrosion de la surface a été observée dans tous les cas, sauf que le système de revêtement à double couche a permis d'améliorer la protection contre la corrosion.udTous les revêtements à couche unique ont démontré initialement une valeur de cisaillement de détachement de glace environ 1,68 à 2 fois plus faible que les surfaces d’aluminium telles que reçue et environ 1,22 à 1,5 fois plus faible que celle observée sur des surfaces polies miroir. Ces valeurs ont progressivement augmenté après 5 à 9 cycles successifs de givrage/dégivrage démontrant une certaine dégradation des revêtements. Le système de revêtement à double couche a initialement démontré uneudvaleur de détachement en cisaillement de la glace environ 2 fois plus faible que les surfaces d’aluminiumudtelles que reçues et environ 1,5 fois inférieure à celle observée sur les surfaces polies miroir de l’aluminium comme référence. Ces valeurs ont augmenté progressivement après neuf cycles successifs de givrage/dégivrage.udEn outre, la propriété hydrophobe des surfaces revêtues a été étudiée après chaque cycle de givrage/dégivrage pour évaluer leur stabilité après la libération de la glace, ce qui a montré une diminution des valeurs d’AC. Par conséquent, la performance de libération de glace des échantillons revêtus s’est révélée être dépendante du temps écoulé.udLes études électrochimiques ont montré que le potentiel de corrosion des échantillons avec une couche de revêtement hydrophobe augmente légèrement tandis que leur densité de courant de corrosion diminue par rapport au substrat non protégé. Cependant, le potentiel de corrosion des revêtements hydrophobes à double couche a augmenté de manière significative et leur densité de courant de corrosion a diminué de quatre ordres de grandeur par rapport à celle des échantillons non revêtus. Ces résultats ont montré que la sous-couche utilisée sur l’AA2024 fournit notamment une résistanceudsupérieure à la corrosion qui serait une meilleure approche pour améliorer les performances anticorrosives des surfaces métalliques pour des applications extérieures que celle des revêtements toxiques à base de chromate en utilisation courante. La spectroscopie d'impédance électrochimique (SIE) a permis de mesurer des angles de phase élevés démontrant une perméation ionique inférieure pour le système de revêtement à double couche, ce qui conduit à de meilleures propriétés isolantes. Cesudobservations confirment que le revêtement à double couche BTSE/18C-SAMs se comporte presque comme un condensateur idéal par rapport au revêtement simple 18C-SAMs qui se comporte comme un condensateur qui fuit. D'autre part, considérant les résultats obtenus pour l’impédance totale en fonction de la fréquence, l’impédance s’est avérée plus élevée pour le double revêtement que pour le revêtement simple, indiquant un film plus étanche avec moins de défauts.udEn conclusion, ce travail de recherche a montré qu’il était possible de développer des revêtements combinant à la fois une adhérence réduite de la glace et une protection contre la corrosion pour des surfaces d’aluminium.