Модификация поверхностей ультракороткими лазерными импульсами для уменьшения теплопередачи в алюминиевых сплавах литья под давлением

Почему важно сохранять электромобили прохладными

Для многих водителей современным электромобилям всё ещё присущ один существенный недостаток: запас хода кажется слишком небольшим. Хотя легко винить только аккумулятор, значительная доля энергии тихо теряется в виде тепла в механических узлах автомобиля. В этом исследовании рассматривается необычный способ снизить такие потери — формирование внутренних металлических поверхностей корпусов передач электромобилей ультрабыстрыми лазерами, чтобы горячему маслу было сложнее отдать тепло металлу. В результате получается крошечный, почти незаметный рисунок на поверхности, который может помочь растянуть каждый киловатт-час немного дальше.

Куда тихо уходит энергия

Даже эффективные батарейные электромобили расходуют значительную долю энергии, полученной от сети. Для хорошо изучённой модели лишь около трёх четвертей поступившей энергии действительно доходит до колёс; остальное уходит при зарядке, работе электроники, систем охлаждения и в самом силовом агрегате. Внутри трансмиссии шестерни и подшипники работают в масляной ванне, заключённой в корпус из алюминиевого литья под давлением. По мере работы автомобиля брызги масла ударяют о стенки корпуса и передают тепло металлу, которое затем утекает наружу в воздух. Авторы выделяют этот путь передачи тепла — от масла к алюминию — как предотвращаемую потерю, которой стоит заняться, особенно учитывая, что алюминиевые корпуса теперь стандартны в многих электроприводах.

Заимствование приёмов у листьев лотоса

Природа подсказывает, как управлять контактом жидкостей с твёрдыми поверхностями: листья лотоса остаются удивительно чистыми и сухими, потому что их поверхности покрыты крошечными бугорками разных масштабов. Капли воды сидят на такой микроскопической «ландшафтной» структуре, под ними запираются карманы воздуха, поэтому капли легко скатываются и уносят грязь. Исследователи адаптируют эту идею для масляных жидкостей внутри электрического привода. Сначала они выравнивают естественную шероховатость алюминиевого литья пикосекундным лазером, затем используют ещё более короткий фемтосекундный импульс для вырезания тщательно продуманной «иерархической текстуры» из канавок и зубчатых выступов. Подбирая соотношение ширины канавки к ширине выступа, они находят узор, который заставляет как водяные, так и масляные капли стоять выше и легче скользить по металлу, что указывает на уменьшенную площадь и продолжительность контакта.

Формирование металла, отталкивающего горячее масло

Чтобы проверить, насколько такая текстура сопротивляется маслу, команда сравнивает три типа алюминиевых пластин: необработанный чу́ще литья металл, химически покрытую водоотталкивающую поверхность и новую лазерно-текстурированную поверхность. Они измеряют, как распространяются капли трансмиссионного масла, как легко они скользят и как меняется кажущийся контактный угол — насколько «округлой» кажется капля. На необработанном алюминии масло сильно смачивает поверхность. На лазерной текстуре контактный угол масляной капли почти удваивается, и капля начинает частично опираться на подушку из запертого воздуха между канавками. Поверхность становится не просто водоотталкивающей, но олеофобной, то есть сопротивляющейся смачиванию маслом, несмотря на отсутствие дополнительного покрытия.

Наблюдение за теплопотоком капля за каплей

Сердцем исследования является специализированный эксперимент, в котором маленькие порции горячего трансмиссионного масла роняют на горизонтально закреплённые алюминиевые образцы и мониторят, насколько их температура повышается со временем. При прочих равных условиях самая сильная подогревка наблюдается на гладкой необработанной поверхности, химически обработанная поверхность греется меньше, а лазерная текстура — меньше всего. При температуре масла 80 °C энергия, поглощённая необработанным алюминием, составляет около 464 джоулей, тогда как текстурированная поверхность поглощает лишь 347 джоулей. В инженерных терминах эффективный коэффициент теплопередачи падает более чем вдвое. Расчёты и наблюдения на высокой скорости указывают на две основные причины: воздух, захваченный в рисунке поверхности, действует как утеплитель, а капля касается металла на меньшей площади и в течение более короткого времени, прежде чем соскользнуть.

Что это значит для будущих электромобилей

Для неспециалиста ключевое сообщение в том, что авторы нашли способ превратить простую металлическую стенку в своего рода встроенный тепловой экран, используя только свет — без красок, пен или добавленных химикатов. Их лазерная текстура заставляет масляные капли неохотно смачивать металл и стимулирует их быстрое движение, в результате чего меньше тепла передаётся корпусу. В реальном электромобиле нанесение таких текстур на корпуса передач и другие компоненты, контактирующие с маслом, могло бы сократить тепловые потери в силовой установке и умеренно увеличить запас хода, причём текстуры остаются стойкими при высоких температурах и исключают необходимость дополнительных изоляционных слоёв. Это небольшое изменение на микрометровом масштабе с потенциально заметными преимуществами в повседневной эксплуатации.

Цитирование: Goto, R., Yamaguchi, M. Ultrashort-pulse laser-modified surface texturing for heat transfer reduction in die-cast aluminum alloys. Sci Rep 16, 13823 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41605-0

Ключевые слова: эффективность электромобилей, уменьшение теплопередачи, лазерное текстурирование поверхности, олеофобные поверхности, алюминиевые корпуса литья под давлением