Frys gelning

Freeze-gelation , är en form av sol-gel- bearbetning av keramik som gör att ett keramiskt föremål kan tillverkas i komplexa former, utan behov av högtemperatursintring . Processen liknar frysgjutning .

Processen är enkel, men vetenskapen är, från och med 2005, inte väl förstådd. Den vanligaste processen involverar blandning av en kiseldioxidlösning med ett fyllmedelspulver . Till exempel, om vi tillverkade en komponent av aluminiumoxid , aluminiumoxid, skulle vi fortfarande använda en silikasol, men aluminiumoxidfyllmedelspulver. De relativa mängderna som används skiljer sig, normalt mellan 3 och 4 gånger mer fyllmedel än sol tillsätts i vikt.

Ett vätmedel tillsätts så att fyllmedelspulvret sprids ordentligt i solen, som mestadels är vatten. Detta gör blandningen degig och styv. Blandningen är dock mycket tixotropisk , så att den blir flytande när den vibreras. Den styva degen placeras i en form och formen vibrerade för att göra blandningen flytande, fylla formen och släppa ut all instängd luft.

Den fyllda formen fryses sedan. Vid frysning faller kiseldioxid ut från solen och bildar en gel . Denna gel håller ihop fillerpulvret i något ungefär som en sintrande grön form . Komponenten torkas sedan i en ugn och lämnar komponenten.

Fördelarna med frys-gelering framför sintring är i huvudsak kostnadsbaserade. Det kräver ingen högtrycksutrustning eller kraftfulla ugnar (torktemperaturerna ligger bara strax över vattnets kokpunkt), men det skapar en användbar produkt som tar formen mycket exakt.

Historia

När det gäller att helt enkelt vara en process genom vilken pulver kan göras till en monolit , kan frysgjutning vara lika gammal som jorden. Ett material som kallas laminär opalin kiseldioxid eller LOS tros bildas genom frysgjutning av vulkanisk aska, vissa jordar innehåller de soler som krävs för att göra gelen.

Artificiellt sett är det också en gammal process, som har varit känd och studerad i 100 år eller mer, men aldrig kommit till någon betydande industriell tillämpning. Lottermoser, en tysk , skrev en artikel om 'das Ausfrieren von Hydrosolen' (frysningen av hydrosoler) 1908. Under 1900-talet har olika människor patenterat tekniker som använder frysgelning, de flesta är centrerade på användningen av keramik som eldfast material . En ugnsbeklädnad tegelsten, eller en investeringsgjutform , kan enkelt tillverkas med denna metod.

Nyligen uppstod ett stort intresse för frysgjutning vid University of Bath , Storbritannien , vilket ledde mest till två doktorsavhandlingar, av J. Laurie 1995 och av M. Statham 1998. Sammantaget i kronologisk ordning utgör dessa en bra introduktion till tekniken för den intresserade.

Ansökningar

För att överväga tillämpningarna av frysgjutning bör vi överväga egenskaperna hos den frysgjutna komponenten. För det första, och kritiskt, är det inte helt tätt. Den innehåller endast cirka 60–70 % fast material, resten är luft i form av porositet . Detta leder i sin tur till en intressant egenskap hos frysgjutgods – de är ofta porösa, inte bara på ytan utan i hela sin tjocklek. En vätska kommer att tränga in genom porerna i gjutstycket och så småningom tränga igenom, som en svamp. Detta beror på att vid porositetsprocenter över "porperkolationströskeln" länkar porer ihop sig i kontinuerliga kanaler. Porperkolationströskeln beror på materialets egenskaper, men den är normalt mycket ungefär runt 20 %. En 60 % tät komponent har 40 % porositet.

Som vi kan förvänta oss, minskar denna mängd luft i komponenten dess styrka mycket. Ren, helt tät aluminiumoxid är till exempel lika stark som stål – mycket starkare om den bearbetas noggrant – men frysgjutna aluminiumoxidkomponenter har liknande styrka som betong. Den frysgjutna komponenten tenderar också att vara spröd och lätt spricka.

Det är då osannolikt att frysgjutna komponenter skulle kunna användas strukturellt (utan vidare bearbetning – mer senare), men de har andra egenskaper som gör dem användbara. De är ganska lätta, med frysgjutna aluminiumoxidkomponenter som har en densitet någonstans i området 2,5 g/cm3, ^liknande aluminium. De är enkla och billiga att göra, från billiga och säkra ingredienser och utan farlig utrustning. De kan ta komplexa former, eftersom de gjuts , snarare än bearbetade . De kan också vara mycket stora, förmodligen större än monolitiska keramiska komponenter gjorda av någon annan process. Slutligen, och avgörande, innebär deras porositet att de kan infiltreras av material med användbara egenskaper, eller bearbetas med andra material i. Till exempel kan komponenten doppas i smält koppar, så att kopparn dras upp genom kapillärverkan in i porositet, vilket ökar konduktiviteten hos komponenten avsevärt. Alternativt kan kopparpulver användas som ett fyllmedelspulver istället för lite aluminiumoxid till samma ände.

Frysgjutna komponenter, i sin grundform, är idealiska för användning som värmebeständiga föremål. På så sätt kan de vara användbara i metallarbete, som formar eller som substrat för metallsprayformning. Men med lämplig efterbearbetning skulle de kunna uppfylla många andra applikationer, såsom kiselchipsfästen eller till och med motorblock.

Teori

Vetenskapen är inte särskilt väl förstådd. Det har varit känt i flera år att kiseldioxidsoler (även känd som kolloidal kiseldioxid, kiselsyra, polykiselsyra) kommer att gela när de utsätts för temperaturer runt 0 °C (32 °F). Den teoretiska mekanismen är ganska enkel:

Kolloidal kiseldioxid framställs genom polymerisation av monokiselsyra, Si(OH) ₄ , tills polykiselsyrans kedjor blir så långa att de bildar kiseldioxidpartiklar med hydroxylerade ytor. Vid frysning av solen kasseras kiseldioxidpartiklarna bort från den stelnande gränsytan och tvingas in i mellanrummen mellan iskristallerna. Här kommer de i kontakt med varandra och länkar via kondensationen av sina ythydroxylgrupper till siloxanbindningar. Detta, som händer i hela solen, bildar en gel.

I en fylld sol fångas det keramiska pulvret i gelén och bildar en monolit.

Vidare läsning

• A. Lottermoser, Uber das Ausfrieren von Hydrosolen , Chemische Berichte, 41 , 1908, 532–540
• J. Laurie, Freeze Casting: a Modified Sol-Gel Process , University of Bath, Storbritannien, Ph.D Thesis, 1995
• M. Statham, ekonomisk tillverkning av frysgjutna keramiska substratformer för sprayformningsprocessen, Univ. Bath, Storbritannien, doktorsavhandling, 1998
•   V. Petrenko & R. Whitworth, Physics of Ice , Oxford University Press, 2002. ISBN 0-19-851894-3