Введение
Замороженное желядное плавление - это форма обработки керамики в соль-геле, которая позволяет изготавливать керамические объекты в сложных формах без необходимости спекания при высокой температуре. Процесс похож на литье под заморозкой. Процесс прост, но наука, по состоянию на 2005 год, не очень хорошо понята. Наиболее распространенный процесс включает смешивание раствора кремнезема с порошком наполнителя. Например, если бы мы делали компонент из алюминия, оксида алюминия, то мы бы все равно использовали силиконовый соль, но алюминиевый наполнитель в порошке. Относительные количества используются различными, обычно в 3 - 4 раза больше наполнителя, чем добавляется по весу. Добавляется влагозащитный агент, так что порошок наполнителя рассеивается должным образом в соле, который в основном состоит из воды. Это делает смесь тестообразной и жесткой. Однако смесь обладает высоким тиксотропным свойством, поэтому при вибрации она превращается в жидкость. Жесткое тесто помещают в форму, которая вибрирует, чтобы смесь стала жидкой, заполняя форму и освобождая задержанный воздух. Затем заполненную форму замораживают. При замораживании кремний осаждается из солнца, образуя гель. Этот гель удерживает порошок наполнителя вместе в нечто приблизительное к спекающей зеленой форме. Затем компонент сушат в печи, оставляя компонент. Преимущества замораживания гелирования по сравнению с спеканием в основном основаны на стоимости. Для этого не требуется оборудования высокого давления или мощных печей (температура сушки только чуть выше точки кипения воды), но он создает полезный продукт, который очень точно принимает форму формы.
История
С точки зрения простого процесса, при котором порошок может быть превращен в монолит, литье при заморозке может быть столь же древним, как и Земля. Считается, что материал, называемый ламинарной опалиновой кремнезема или ЛОС, образуется при замораживании вулканического пепла, некоторые почвы содержат необходимые солы для получения геля. Искусственно это также старый процесс, известный и изучаемый в течение 100 лет или более, но никогда не применявшийся в промышленности. Лоттермозер, немец, написал статью о "das Ausfrieren von Hydrosolen" (замораживании гидрозолей) в 1908 году. На протяжении 20-го века различные люди запатентовали методы, использующие замораживание геля, большинство из которых сосредоточено на использовании керамики в качестве огнеупорных материалов. Изготавливать кирпичи для облицовки печи или формы для литья в виде инвентаря можно с помощью этого метода. Недавно в Университете Бата (Великобритания) возник интерес к литью на заморозке, что привело к двум докторским диссертациям, в 1995 году - Дж. Лори, а в 1998 году - М. Стэтама. Вместе взятые в хронологическом порядке, они представляют собой хорошее введение в технику для заинтересованной стороны.
Приложения
Для рассмотрения применения литья под заморозкой следует рассмотреть свойства компонента литья под заморозкой. Во-первых, и это очень важно, она не полностью плотная. Он содержит только около 60 - 70% твердого вещества, остальное - воздух в виде пористости. Это, в свою очередь, приводит к интересному свойству замороженных отливок: они часто пористы, не только на поверхности, но и по всей толщине. Жидкость проникает через поры в литье и в конечном итоге просачивается, как губка. Это связано с тем, что при процентах пористости выше "порогового порога проникновения поры", поры связываются в непрерывные каналы. Порог проникновения пор зависит от характеристик материала, но обычно он составляет примерно 20%. 60% плотный компонент имеет 40% пористость. Как и следовало ожидать, такое количество воздуха в компоненте значительно снижает его прочность. Чистая, полностью плотная алюминия, например, так же прочна, как сталь, но компоненты из алюминия с температурой замерзания имеют такую же прочность, как бетон. Компонент отливки под заморозкой также имеет тенденцию быть хрупким, легко ломающимся. Вряд ли тогда, что замороженные литые компоненты могут быть использованы структурно (без дальнейшей обработки более позже), но они имеют другие свойства, которые делают их полезными. Они довольно легкие, с компонентами из глинозема, отлитых в замороженном виде, с плотностью где-то в районе 2,5 г/см3, аналогичной алюминию. Их легко и дешево сделать из дешевых и безопасных ингредиентов и без использования опасного оборудования. Они могут принимать сложные формы, поскольку они отлиты, а не обработаны. Они также могут быть очень большими, вероятно, больше, чем монолитные керамические компоненты, изготовленные любым другим процессом. И, наконец, и самое главное, их пористость означает, что они могут быть проникнуты материалами с полезными свойствами, или обработаны с другими материалами в них. Например, компонент может быть погружен в расплавленную медь, так что медь втягивается капилляром в пористость, значительно увеличивая проводимость компонента. В качестве альтернативы, медной порошок может быть использован в качестве порошка наполнителя вместо некоторых алюминиевых сплавов для того же цели. Компоненты литья под замерзание в своей базовой форме идеально подходят для использования в качестве теплостойких объектов. Таким образом, они могут быть полезны в металлообработке, в качестве форм или подложки для формования металла распылением. Однако при соответствующей последующей обработке они могут выполнять многие другие приложения, такие как кремниевые чипы или даже блоки двигателей.
Теория
Наука не очень хорошо понятна. На протяжении многих лет было известно, что кремниевые солы (также известные как коллоидная кремния, кремниевая кислота, полисилиевая кислота) замерзают при воздействии температур около 0 ° C (32 ° F). Теоретический механизм довольно прост: коллоидная кремния получается полимеризацией моносилициевой кислоты, Si ((OH) 4), пока цепи полисилициевой кислоты не станут настолько длинными, что образуют частицы кремния с гидроксилированными поверхностями. При замораживании соля частицы кремния отталкиваются от затвердевающего интерфейса и попадают в промежутки между кристаллами льда. Здесь они вступают в контакт друг с другом и связываются через конденсацию своих поверхностных гидроксильных групп в силоксановые связи. Это происходит по всему солнцу, образуя гель. В заполненном соле керамический порошок задерживается внутри геля и образует монолит.
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.