Leçon 9.6FaçonnerChapitre 9 · Poudres et céramiques

Procédé sol-gel

Un liquide prend en gel, puis est séché et cuit

Le procédé sol-gel fabrique du verre et des céramiques à partir d'un liquide plutôt que d'un bain fondu ou d'une poudre. De minuscules particules se forment dans un liquide, se lient en un gel gélatineux, et le gel est séché puis doucement chauffé jusqu'à devenir solide. Le revêtement antireflet de certains objectifs d'appareils photo et l'aérogel bleuté et fantomatique utilisé comme isolant sont fabriqués ainsi.

Photo : NASA/JPL-Caltech, Public domain, via Wikimedia Commons

Procédé sol-gel · sol, gel, séchage, cuisson, et façons de le mettre en formeLa rangée du haut suit le matériau du liquide au solide ; celle du bas montre comment on le met en forme tant qu'il est encore liquide. Les numéros cerclés correspondent aux étapes.

Comment ça marche

Préparer le sol. Des produits chimiques liquides contenant un métal ou du silicium (comme le TEOS, un composé du silicium) sont mélangés à de l'eau, de l'alcool et un peu d'acide ou de base. Des réactions construisent des particules de quelques nanomètres, ce qui donne un sol : un liquide où flottent de minuscules particules solides.
Le mettre en forme. Tant qu'il est liquide, le sol est déposé par trempage ou par centrifugation sur une pièce, pulvérisé, coulé dans un moule ou étiré en fibres.
Laisser gélifier. Les particules se lient en un réseau qui occupe tout le volume et emprisonne le liquide, comme de la gélatine qui prend. Cela demande de quelques minutes à plusieurs jours ; le laisser reposer plus longtemps (vieillissement) rend le réseau plus solide.
Le sécher. Une évaporation lente rapproche le réseau : le gel se contracte en un xérogel dense et vitreux, et peut se fissurer si l'on va trop vite. Un séchage au-dessus du point critique du liquide (séchage supercritique, sans tension superficielle) garde le réseau ouvert et donne un aérogel fait surtout d'air.
Le cuire. Un chauffage à généralement 400–1 200 °C brûle les composés organiques restants et ferme les pores par frittage, ce qui donne un verre dense, une céramique ou un revêtement dur. C'est bien en dessous des quelque 1 700 °C nécessaires pour fondre le verre de silice. Les aérogels sont souvent utilisés sans cuisson.

Chiffres clés

Matériaux: Silice, titane, zircone, alumine et oxydes mixtes ; hybrides de verre et de plastique
Pièces typiques: Revêtements optiques et antireflet, films protecteurs, isolants en aérogel, poudres céramiques fines, fibres
Taille de pièce: Films de quelques nanomètres à quelques micromètres d'épaisseur sur des pièces de presque toute taille ; les pièces massives ne font généralement que quelques centimètres, car le séchage fissure les grandes
Précision: Épaisseur de film contrôlable à environ quelques dizaines de nanomètres
État de surface: Films très lisses et optiquement limpides
Taille de série adaptée: De simples échantillons de laboratoire à des lignes de revêtement continues pour le verre
Coût d'outillage et de machine: Faible pour les revêtements : verrerie et enduceuses par trempage ou centrifugation à partir de quelques milliers de dollars ; les sécheurs supercritiques coûtent bien plus
Vitesse: Le revêtement prend quelques minutes ; la gélification de quelques heures à plusieurs jours ; le séchage de pièces massives peut prendre des jours

Atouts et limites

Atouts

Basses températures comparées à la fusion du verre ou au frittage de poudre
Matériaux très purs et homogènes, mélangés à l'échelle moléculaire
Revêtements minces et réguliers faciles sur verre, métal ou plastique
Produits uniques comme les aérogels, les solides les plus légers jamais fabriqués

Limites

Les grandes pièces massives se fissurent au séchage
Fort retrait, souvent plus de la moitié du volume
Les produits chimiques (alcoxydes, solvants) sont coûteux et certains sont inflammables
Lent : la gélification et le séchage prennent de quelques heures à plusieurs jours

Où on l'utilise

OptiqueRevêtements antireflet et filtrants sur lentilles et verre
Bâtiment et énergieMatelas isolants en aérogel, revêtements sur verre solaire
Électronique et capteursFilms minces d'oxyde, capteurs de gaz et d'humidité
Revêtements protecteursFilms résistants aux rayures et à la corrosion sur métal et plastique
Science spatialeCollecteurs de poussière en aérogel, comme sur la mission Stardust de la NASA
Céramiques et catalyseursPoudres très fines et pures et supports de catalyseurs poreux

Comment le reconnaître

Les revêtements minces montrent de légères teintes irisées ou bleutées dues aux interférences lumineuses, comme une bulle de savon.
Les lentilles antireflet paraissent légèrement colorées quand on les incline et réfléchissent peu de lumière.
L'aérogel ressemble à de la fumée bleue figée et paraît presque sans poids.
Les pièces massives séchées à l'air sont petites et peuvent montrer de fines fissures.

À comparer avec

Métallurgie des poudres9.1se termine aussi par un frittage, mais part d'une poudre comprimée, pas d'un liquide.Revêtement CVD11.9construit des films minces à partir de gaz qui réagissent, généralement plus chauds et dans une chambre à vide.Dépôt par couches atomiques13.4fait croître des films une couche atomique à la fois, plus précis mais bien plus lent.

À regarder

University of California Television (UCTV) · La chimie sol-gel par un expert de laboratoire, avec une démonstration en direct des premières étapes (à partir de 5:00 environ)

NileRed · Tout le parcours à la maison : mélange, gélification, échange de solvant, séchage supercritique

nottinghamscience · Comment fonctionne l'étape de séchage particulière

Veritasium · Ce qu'est l'aérogel fini et à quoi il sert

Voir de vraies photos

Wikipédia : Sol–gel process — schémas du procédé, du sol au film, au xérogel et à l'aérogel
Recherche de photos sur Wikimedia Commons

À retenir

Le sol-gel construit un solide à partir d'un liquide : sol, puis gel, puis séchage, puis cuisson.
Il travaille à basse température, ce qui le rend idéal pour les revêtements minces et les matériaux purs.
La façon de sécher le gel décide du résultat : xérogel dense ou aérogel léger comme une plume.