Қaзaқстaн Рeспубликaсының ғылым жәнe білім министрлігі

Әл - Фараби атындaғы Қaзақ ұлттық унивeрситеті

Есбосын А.

СУПЕРГИДРОФОБТЫ БЕТТІҢ МҰЗДАНУҒА ҚАРСЫ ЖҮЙЕГЕ ӘСЕРІ

ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫСЫ

5B060600 - «Химия зерттеуші» мамандығы

Алматы 2014

Қaзaқстaн Рeспубликaсының ғылым жәнe білім министрлігі

Әл - Фараби атындaғы Қaзақ ұлттық унивeрситеті

«Қорғауға жіберілді»

Химиялық физика және материалтану

кафедрасының меңгерушісі х.ғ.к., доцент

___________ Төлепов М.І.

«___» ___________2014ж.

ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫСЫ

Тақырыбы:«СУПЕРГИДРОФОБТЫ БЕТТІҢ МҰЗДАНУҒА ҚАРСЫ ЖҮЙЕГЕ ӘСЕРІ»

5B060600 - «Химия зерттеуші» мамандығы

Орындаған: Есбосын А.

Ғылыми жетекшісі:

аға оқытушы Азат С.

Нормабақылаушы: Рахимова Б.У.

Алматы, 2014

Реферат

Бітіру жұмысы кіріспе, әдеби шолу, негізгі бөлім, тәжірибелік бөлім, қорытынды және қолданылған әдебиеттер тізімінен тұрады. Жұмыс 53 беттен, 57 суреттен, 1 кестеден, 37 қолданылған әдебиеттер тізімінен тұрады.

Түйін сөздер: МҰЗ, ҰШАҚ, СУПЕРГИДРОФОБ, ТЕФЛОН, ПОЛИФЕНИЛЕНСУЛЬФИД, АЛЮМИНИЙ, АЭРОДИНАМИКА

Зерттеу нысандары: супергидрофобты беттегі судың жұғу бұрышы және сырғу бұрышы, аэродинамикалық трубадағы ауаның жылдамдығы және бағыты, -18 температурада әдеттегі және супергидрофобты қанат бетіне мұздың жиналу механизмі және жылдамдығы.

Жұмыстың мақсаты: қазіргі кезде өзекті мәселелердің бірі болған мұздану мәселесі, яғни, ұшақ қанатының бетіне жиналатын мұзды біржақты ету шараларын зерттеу, оған супергидрофобты беттің көмегінің шамасын зерттеу.

Зерттеудің маңызы: анемометр қондырғысы арқылы аэродинамикалық трубаның ішіндегі ауа жылдамдығын зерттеу, су тамшысын супергидрофобты бетке тамызып жұғу бұрышын зерттеу, түтін арқылы ауаның труба ішіндегі қозғалу бағытын зерттеу, -18 температурада аэродинамикалық труба ішіндегі қанат бетіне жиналған мұздың салмағын өлшеу әрі екі түрлі қанат бетіндегі мұздың жиналу уақытын салыстыру.

ҚЫСҚАРТЫЛҒАН СӨЗДЕР ТІЗІМІ

ПФС – полифениленсульфиді

ПТФЭ– политетрафторэтилен ( тефлон)

МАЗМҰНЫ

	КІРІСПЕ	7
1	ӘДЕБИ ШОЛУ
1.1	Ұшақ қанатындағы мұздану мәселесі ,мұзданудың ұшақ ұшуы кезіндегі туғызатын кедергілері	5
1.1.1	Мұзданудың ұшақ аэродинамикасына әсері	6
1.1.2	Мұздану процесінің полярлы қисыққа әсері	7
1.1.3	Мұзданудың ұшақ ұшу бағытына әсері	8
1.2	Ұшақ қанатын супергидрофобты материалмен қаптаудың маңызы	9
1.2.1	Қазіргі кездегі ұшақтағы мұздануға қарсы жүргізілетін іс-шаралар	9
1.2.2	Ұшаққа қолданылатын гидрофобты материалдар	11
1.2.3	Құрамында фторы бар полимерлердің гидрофобты материал ретінде қолданылуы	13
1.2.4	Фторлы полимерлердің ұшақтың мұздануға қарсы материалы ретінде қолданылуы және дамуы	14
2	ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ	16
2.1	Судың физикалық қасиеті	16
2.2	Гидродинамика және оның аэродинамикамен байланысы	20
2.3	Аэродинамикалық труба	27
2.4	Адгезия және когезия, беттік керілу	30
2.5	Супергидрофобты беттің физикалық негізі	31
3	ТӘЖІРИБЕЛЕР ЖӘНЕ ОЛАРДЫ ТАЛҚЫЛАУ	36
3.1	Тефлонның физикалық және химиялық қасиеті	36
3.2	Полифениленсульфидінің физико-химиялық қасиеті	38
3.3	ПТФЭ – ПФС қоспасындағы супергидрофобты қанат бетін алудың тәжірибелік әдісі	40
3.4	Төмен жылдамдықтағы аэродинамикалық трубаның жасалу жолы	43
3.5	Ұшақтың ұшу модельін аэродинамикалық трубада жасау және әдеттегі және супергидрофобты қанат беттерінің мұздану жағдайын салыстыру	46
	ҚОРЫТЫНДЫ	49
	ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ	52

КІРІСПЕ

Қазіргі кезде мұздану мәселесі дүниедегі өзекті мәселелердің бірі болып отыр. Мұздану мәселесі тасымалдау трубаларында, антенналарда және авиацияда болады. Авиацияда, яғни ұшақтың ұшуы кезінде атмосферадағы ауа тұтқырлығының жоғары болу себебінен, ауа ылғалдығынан, температураның төмен болу факторларынан мұздану жоғары болады. Ұшақ аспан кеңістігінде ұшу барысында ұшақ сыртқы бетінде мұз жиналу процесі болады. Ұшақ сыртына мұз жиналу негізінен екі түрлі болады: біріншісі, кеңістіктегі су буының ұшақ беткі қабатымен тікелей жанасу арқылы мұз түзу. Екіншісі, ауа құрамындағы су тамшыларының жартылай кристалдары (тұман,бұлт) біршама тұрақсыз келеді, олар қатты денеге тигенде адгезиясы біршама жоғары болады да, толық кристалға айналады. Ұшақ қанатына жиналған мұз ұшақтың ұшуы кезінде көптеген кедергілерді туғызады. Мысалы, ұшақтың өзін-өзі көтеріп ұшу күшін азайтып, ұшақ тепе-теңдігін бұзады. Сондықтан, қазіргі кезде көптеген әдістер мұзды жоюға қолданылуда. Қолданылатын әдістердің ішінде қанат ішіндегі қыздыру жүйесі жатады. Ұшақ бетіне жиналған мұзды қыздыру энергиясы арқылы ерітіп, қанат бетін тазартып отырады. Бірақ энергия шығымы көп жұмсалады. Осы себептерге негізделіп энергиялық шығымды азайту мақсатында мұзбен адгезиясы төмен, яғни супергидрофобты бетті қанат бетіне қаптау арқылы мұздан арылу жолын қарастырамыз. Жұмыс барысында әдеттегі және супергидрофобты қанат беттерінің моделін жасап, оларды ұшақтың ұшу моделі, яғни аэродинамикалық трубада тәжірибеден өткіземіз және оларды салыстыра отырып, супергидрофобты беттің мұздануға қарсы жүйеге тигізетін көмегін бақылаймыз. Бұл жағдайда аэродинамикалық труба ішіндегі ауа ағысын ламинарлы ағыс ретінде жағдай жасап, труба ішіне қанатты қойып, эксперимент жүргіземіз. Қанат бетіне қатқан мұздың қандай параметрлерге тәуелді екенін зеттейміз.

1.ӘДЕБИ ШОЛУ

1.1 Ұшақ қанатындағы мұздану мәселесі ,мұзданудың ұшақ ұшуы кезіндегі туғызатын кедергілері

Ұшақ жер бетінен көтерілу кезінде температура (OAT)≤5℃ немесе ұшу барысындағы ауа температурасы (TAT)≤7℃ болғанда , сонымен қатар судың қандай да бір фазасының әсерінен (мысалы, қар, жаңбыр, тұман) мұз қату шарты толықтанады. Бірақ ұшақтың сыртқы бетіндегі мұз қату жағдайы ауа ағысының жанасу орнының ұқсамауына байланысты ол да басқаша болады. Кей жерлерге мұз дұрыс қатпайды (мысалы, ұшақ қанатының артқы бөлігіне және ұшақ құйрығына). Ұшу барысында мұздану әдетте ұшақ қанатының алдыңғы бөлігінде, ұшақ басында, айналғыш парақта біршама ауыр болады. Әр жерде түзілген мұз кристаллдарының құрамында үлкен өзгешеліктер болады, қатты кристал және бос күйдегі қыраулар да болуы мүмкін. 1-суретте көрсетілгендей қанат алдыңғы бөлігінде де екі түрлі мұз қату жағдайы болады.[1,2]

Cурет 1. Қанаттың алдыңғы бетіндегі мұз қату жағдайлары

Ұшақ сыртына жиналған мұз қабаты ұшақтың механикалық қозғалысына үлкен әсер етеді, .ұшақ жылдамдығына қарама-қарсы бағыттағы ауа ағысының жүру бағытын өзгертеді, сонымен қатар ұшақ жылдамдығын азайтады және тепе-теңдігіне әсер етеді (2-суретте көрсетілгендей).

A:ауа ағысының қалыпты қозғалысы B: ауа ағысының трублентті қозғалыс жасауы

Cурет 2. Мұз қатудан бұрынғы (A) және мұз қатқаннан кейінгі (B) ауа ағысының ұшақ қанаты бетімен қозғалу бағыты (жанынан қарағанда).

Қанаттың мұздануының қозғалысқа әсері. Әдеттегі жағдайда қанаттың мұздануы ұшақтың аэродинамикалық қасиетіне үлкен әсерін тигізеді, ұшу үдеуін азайтып, жылдамдық азаю үдеуін жоғарылатады. Сандық коэффициентінің дәрежесіне, бірнеше қозғалыс параметрлеріне әсер етіп ,ұшу барысындағы математикалық модель функциясын бұзады, ұшқыштың басқаруы қиынға соғады.

1.1.1 Мұзданудың ұшақ аэродинамикасына әсері

Бұл әсерді бірнеше жақтан қорытындылауға болады: (3-сурет).

1) түзілген мұз сыртының α бұрышына байланысты аэродинамикалық жылдамдықтың азаюы болады.

2) максималды аэродинамикалық үдеудің азаюы болады

3) жылдамдық азаю бұрышы азаяды.

Cурет 3. Аэродинамика жылдамдығының C_L ұшақ қозғалыс бағыт бұрышына α тәуелділігі

Максимальды аэродинамикалық коэффициент мұздың қалыңдығына және құрылысына тәуелді (4-суретте көрсетілгендей). Ең маңыздысы мұз қалыңдығы бірнеше милиметрге артса жылдамдық үдеуін жартысындай дәрежеде азайтады, яғни мұздың аз мөлшері ұшақ тепе-теңдігіне зор әсер етеді.

Cурет 4. Мұз құрылысының максимальды аэродинамикалық жылдамдыққа әсері

Жоғарыдағы график арқылы мұз қатқаннан кейінгі ұшақ аэродинамикасы 25-40%-ға азаятынын түсінуге болады. Жылдамдық азайту бұрышы 5°～7°-ға азаяды. Бұл арқылы жылдамдық қосу үдеуі 25%-ға азайса, жылдамдық азайту үдеуі 75%-ға жоғарылайды. Яғни, Vs2/VsO2 = 1/0.75, жылдамдық азаю үдеуі

Vs =1.1547VsO . Жылдамдық азайту үдеуі 15%-ға артады, ал жылдамдық үдеуі 40%-ға жоғарылайды.[3]

1.1.2 Мұздану процесінің полярлы қисыққа әсері

1) α бұрышына байланысты кедергі күш C_D артады;

2. аэродинамикалық коэффициентке C_L байланысты кедергі күш C_D те артады;

3. жоғары аэродинамикалық үдеу жылдамдық төмендеу үдеуінің минимальды мәнінде байқалады.

Cурет 5. Мұзданудың полярлы қисыққа әсер етуі

1.1.3 Мұзданудың ұшақ ұшу бағытына әсері.

Қазіргі кезде кең қолданылатын турбореактивті ұшақтың ұшу биіктігі шамамен 9000m айналасында болады. Төмен биіктікте ұшақтың мұздану мүмкіншілігі біршама төмен, бірақ көтерілу барысындағы жиналған мұз ұшақтың көтерілу энергия шығымын жоғарылатады. W = ρV2CLS/2 формуласы бойынша және D =ρV2CDS/2 бойынша кедергі күш ұшақтың ұшу барысындағы ауа ағысына түсірген қысым күшке байланысты өседі. Яғни D = W/K . Мұндағы K- аэродинамикалық константа. Егер максимальды аэродинамикалық жылдамдық азайса, минимальды кедергі күш жоғарылайды (6-суретте көрсетілгендей). Жылдамдық азайту үдеуі мұздың жиналу шамасына байланысты өседі, максимальды бірқалыпты қозғалу жылдамдығы азаяды [4].

Cурет 6. Мұздану жағдайының қажетті сүйреу күшіне әсері

1.2 Ұшақ қанатын супергидрофобты материалмен қаптаудың маңызы

Ұшақ кеңістікте ұшу барысында Маха критерийі бойынша мұздану метеорологиялық шартынан кіші болғанда ұшақтың кейбір сыртқы бетінде ауа ағысы құрамындағы сумен соқтығысады, осылайша мұз бірте-бірте жинала бастайды. Көптеген зерттеу жұмыстары бойынша ұшақтың негізгі бөліктерінде жиналған мұз кристаллы аз мөлшерде болса да, бірақ ұшақтың ауырлық күші арта түскендіктен ұшақтың тепе-теңдігі нашарлай бастайды. Ең ауыр жағдай кеңістіктегі төмен температура әсерінен ұшақтың ауа кіру аузында және қанаттың алдыңғы жағында мұздың қатуы. Негізінен ұшақтың бірнеше бөлігінде мұз қату біршама ауыр болады: ұшақ қанаты, горизонталь стабилизатор, вертикальді сабилизатор алдыңғы жағы, температура датчигі, айналу парағы сияқтылар (7-суретте көрсетілгендей). [18][20]

Сурет 7. Ұшақтың мұз қататын негізгі бөліктері.

1.Температуралық датчиктегі мұз қату 2. Көру әйнегіндегі мұз қату 3. Қанат алдындағы мұз қату 4. Артқы тепе-теңдік құйрығындағы мұз қату 5. Айналу парағына жабысқан мұз 6. Жел өткізгіш труба ернеуіндегі мұз

1.2.1 Қазіргі кездегі ұшақтағы мұздануға қарсы жүргізілетін іс-шаралар:

1) Двигатель компрессормен үрленетін ыстық жел арқылы мұз еріту: бұл көбінесе қанатта, ұшақ құйрық бөлігінің алдынғы жағына, двигательге ауа кіргізу аузына қолданылады. Бұл әдіс ыстық ауа көмегімен жартылай кристалл немесе толық кристаллданған мұзды буға айналдырып, сыртқы қабатты тазалап отырады. Сонымен қатар төмен температуралы ауа ағысын жылытып, ұшақтың сыртқы бетімен адгезиясының алдын алады.

2) Шар цикл әдісімен мұздан ажырату әдісі: двигательден шыққан ытық ауа әсерімен пневматикалық каналға ыстық жел жіберіп, шар циклын ұлғайтып және қысу арқылы механикалық күш туғызу, күштің әсерінен мұздың адгезиясы жойылады. Бұл әдіс қанат бөлікте және құйрық бөлікте қолданылады. Бұл әдісте қажетті ыстық ауа энергиясы бірінші әдіске қарағанда біршама аз болады. жылу энергиясы жеткіліксіз жағдайда көлем өзгерту әдісімен мұздан ажыратылуға мүкіндік береді.

3) Электр жылуы арқылы мұзданудың алдын алу: бұл әдіс тұрақты электр жылуының әсерінен мұз кристаллдарын еріту болып табылады. Көбінесе спиральді айналу парағына орнатылады және қанат ішіне орнатылады. Электрлік жылу әдісінен басқа электрді үнемдейтін яғни уақытша қыздыру жүйесі де кеңінен қолданылады, электрлік импульс әдістері қатарлылар, кейде ульлтрадыбыс толқынын да қолдануға болады [7].

Жоғарыдағы әдістерден басқа қазіргі заманға сай энергия шығымының алдын алу мақсатында ұшақтың мұз қататын бөліктерін супергидрофобты материалмен жасау жолға қойылуда. Бұл әдістің артықшылықтары өте көп, энергия шығымын үнемдеп қана қоймай мұз қату уақытын ұзартуға болады және ұшақтың сыртқы металл материалдарының коррозиясынан сақтануға болады. Ұшақтағы жылыту жүйесі ток энергиясын пайдаланып жұмыс жасайды, құрылғысының негізгі бөлігі :жылу қыбылдау қанат беті, қыздыру пластинкасы, электродтардан тұрады. Төменгі қабатқа, яғни қанат бетіне жақын жиналған мұз кристаллдары қыздыру әсерінен суға айналып, адгезиясын азайтады (8-сурет).

Сурет 8. Қыздыру жүйесі 1.Қанат беті 2. Қыздыру пластинкасы 3. Электродтар

Қыздыру құрылғысынан басқа мұздануға қарсы жүйеде қанат бетіне шашатын мұздануға қарсы сұйықтықтар болады. Ұшақтардың ұшуы алдында сұйықтықтарды ұшақ сыртына шашады, беттік активті сұйықтық әсерінен мұз қанат бетіне жанаспайды (9-сурет), бірақ сұйықтықтың қолданылу уақыты біршама аз болады.

Cурет 9. Мұздануға қарсы беттік активті сұйқытық