Кіріспе
Мұздату желдету - керамиканы соль-гельмен өңдеудің бір түрі, ол керамикалық затты күрделі пішінде жасауға мүмкіндік береді, жоғары температурада ыстықтай тұндыру қажет емес. Бұл процесс тоңазытқышты құюға ұқсас. Процесс қарапайым, бірақ 2005 жылы ғылым жақсы түсініксіз. Ең көп таралған процесс - кремний қышқылының ерітіндісін толтыру ұнтағымен араластыру. Мысалы, егер біз алюминийден құрама құрайтын болсақ, алюминий оксиді, онда біз әлі де кремнийді кремнийді пайдаланамыз, бірақ алюминий толтыру ұнтағы. Пайдаланылатын салыстырмалы мөлшерлер әр түрлі, әдетте салмаққа қарағанда 3 және 4 есе көп толтырғыш қосылады. Толықтырғыш ұнтақ негізінен судан тұратын сольде дұрыс таралуы үшін ылғалдандырғыш қоспа қосылады. Бұл қоспаны қамырдай етіп, қатты етеді. Алайда қоспа өте тиксотроптық, сондықтан тербелгенде сұйыққа айналады. Қатты қамыр қалыпқа салынады, ал қалып араластырманы сұйыту үшін дірілдеп, қалыпты толтырады және кез келген тұтқынға алынған ауаны босатады. Толытылған қалыпты мұздатып қояды. Мұздаған кезде кремний тотығып, гель түзеді. Бұл гель толтырғыш ұнтақты жасыл пішінді пісіру формасына ұқсас етіп біріктіреді. Содан кейін құрамдас бөлік пеште кептіріледі, құрамдас бөлік қалдырылады. Тұңдыруды желдетудің синтездеуге қарағанда артықшылықтары негізінен шығындарға негізделген. Ол жоғары қысымды жабдықтар мен қуатты пештерді қажет етпейді (құрғату температурасы судың қайнау температурасынан сәл жоғары), бірақ ол қалыптың пішінін өте дәл алатын пайдалы өнімді жасайды.
Тарих
Бұл процесс арқылы ұнтақ монолитке айналады, мұздату арқылы құю жер шары сияқты ескі болуы мүмкін. Ламинарлық опалинді кремний немесе ЛОС деп аталатын материал жанартау күлінің тоңазыту арқылы қалыптасады деп есептеледі, кейбір топырақтар гельді жасау үшін қажетті сольдерді қамтиды. Жасанды түрде бұл 100 жыл немесе одан да көп уақыттан бері белгілі және зерттелетін ескі процесс, бірақ ешқашан маңызды өнеркәсіптік қолдануға енгізілмеген. Неміс Лоттермозер 1908 жылы "Гидрозольді тоңазыту" (Gydrosolen) туралы мақала жазды. 20-ғасыр бойы әртүрлі адамдар мұздатуды пайдалану әдістерін патенттеді, олардың көпшілігі керамиканы отқа төзімді материалдар ретінде пайдалануға бағытталған. Осы әдіспен пештің қаптамасы кірпіш немесе құйма қалыпты оңай жасауға болады. Жақында Ұлыбританиядағы Бат университеті мұздатпалы құюға қызығушылық танытты, бұл ең алдымен 1995 жылы Дж. Лоридің және 1998 жылы М. Стэтамның екі докторлық диссертациясына әкелді. Бірге хронологиялық тәртіппен қаралғанда, олар мүдделі тарап үшін техникаға жақсы кіріспе жасайды.
Қолданбалар
Тоңазытқышты құюдың қолданылуын қарастыру үшін біз тоңазытқышты құю компонентінің қасиеттерін қарастыруымыз керек. Біріншіден, ол толық тығыз емес. Оның құрамында тек 60-70% қатты заттар бар, қалған бөлігі - ауа. Бұл өз кезегінде мұздатылған құймалардың қызықты қасиеттеріне әкеледі - олар көбінесе жер бетінде ғана емес, бүкіл қалыңдығы бойынша тесікті болады. Құйманың тесіктері арқылы сұйықтық өтіп, ақырында шұңқыр сияқты сіңіп кетеді. Бұл "шешелердің ағып кету шегінен" жоғары поростық пайыздарда, себебі, тесіктер үздіксіз арналарға қосылады. Кесінділердің сіңу шегі материалдың ерекшеліктеріне байланысты, бірақ ол әдетте шамамен 20% -ға жуық. 60% тығыз компоненттің 40% саңылаулылығы бар. Бұл компоненттегі ауа мөлшері оның күшін төмендетеді. Мысалы, таза, толық тығыз алюминий болат сияқты мықты - егер мұқият өңделген болса, әлдеқайда мықты - бірақ мұздатылған алюминий компоненттері бетонға ұқсас беріктікке ие. Мұздатылған құйма компоненті де сынық, оңай сынуы мүмкін. Бұл жағдайда мұздатылған құйма компоненттерін құрылымдық тұрғыдан (кейіннен одан әрі өңдеусіз) пайдалану мүмкін емес, бірақ олардың пайдалы болатын басқа қасиеттері бар. Олар өте жеңіл, мұздатылған алюминийден жасалған бөлшектерінің тығыздығы 2,5 г/см3 шамасында, алюминийге ұқсас. Оларды жасау оңай және арзан, арзан және қауіпсіз ингредиенттерден және қауіпті құралдарды қолданбайды. Олар машинамен өңделгеннен гөрі құйылғандықтан күрделі пішінге ие бола алады. Олар сондай-ақ өте үлкен болуы мүмкін, мүмкін кез-келген басқа процесспен жасалған монолитті керамикалық компоненттерден үлкен. Соңында, және ең бастысы, олардың пішінділігі пайдалы қасиеттері бар материалдармен немесе басқа материалдармен өңделуі мүмкін дегенді білдіреді. Мысалы, компонентті ерітілген мысқа батырып, мысты капиллярлық әрекетте пороздыққа тарту арқылы компоненттің өткізгіштігін арттыруға болады. Сонымен қатар, мыс ұнтағын осы мақсатта кейбір алюминий тотығының орнына толтыру ұнтағы ретінде пайдалануға болады. Мұздатылған құйма компоненттері негізгі түрінде жылуға төзімді нысандар ретінде пайдалануға қолайлы. Осылайша, олар металл өңдеуде, қалыптар ретінде немесе металлды бүрку үшін субстраттар ретінде пайдалы болуы мүмкін. Алайда, оларды тиісті өңдеуден кейін, олар басқа көптеген қосымшаларды, мысалы, кремнийлі микросхемаларды немесе тіпті қозғалтқыш блоктарын орындай алады.
Теория
Ғылымның мәні әлі де толық түсініксіз. Силикатлы топырақтардың (сонымен қатар, коллоидты силикат, силикат қышқылы, полисиликат қышқылы деп те аталады) 0 °C (32 °F) температурада тоңазытқанда тоңазытқыштық болатыны бірнеше жылдан бері белгілі. Теориялық механизм өте қарапайым: Коллоидты кремний монокремний қышқылының, Si ((OH) 4), поликремний қышқылының тізбектері соншалықты ұзын болғанша, гидроксилендірілген беттері бар кремний бөлшектерін қалыптастыратындай, поликремний қышқылының полимерленуі арқылы алынады. Сол тоңазытқанда, кремнездік бөлшектері қаттылау интерфейсінен алыстап, мұз кристалдарының арасындағы аралықтарға тартылады. Мұнда олар бір-бірімен жанасады және олардың беткі гидроксилдік топтарының конденсациясы арқылы силоксандар байланысына қосылады. Бұл сольде болып жатқанда, гель пайда болады. Толтырылған сольде керамикалық ұнтақ гель ішінде қалады және монолит құрайды.
Colloidal silica is produced by the polymerisation of monosilicic acid, Si(OH)4, until the chains of polysilicic acid become so long they form silica particles with hydroxylated surfaces. On freezing of the sol, the silica particles are rejected away from the solidifying interface and forced into the interstices between the ice crystals. Here, they come into contact with each other, and link via the condensation of their surface hydroxyl groups into siloxane bonds. This, happening throughout the sol, forms a gel. In a filled sol, the ceramic powder is trapped within the gel, and forms a monolith.