Урок 9.6Придать формуГлава 9 · Порошки и керамика

Золь-гель технология

Жидкость превращается в гель, затем сушится и обжигается

Золь-гель технология делает стекло и керамику из жидкости, а не из расплава или порошка. В жидкости образуются крошечные частицы, соединяются в желеобразный гель, и гель сушат и мягко нагревают до твёрдого состояния. Так делают просветляющее покрытие на некоторых объективах камер и призрачный голубой аэрогель, используемый как утеплитель.

Фото: NASA/JPL-Caltech, Public domain, через Wikimedia Commons

Золь-гель технология · золь, гель, сушка, обжиг и способы придания формыВерхний ряд прослеживает материал от жидкости до твёрдого тела; нижний ряд показывает, как ему придают форму, пока он ещё жидкий. Номера в кружках соответствуют шагам.

Как это работает

Получите золь. Жидкие химикаты, содержащие металл или кремний (например, TEOS — соединение кремния), смешивают с водой, спиртом и небольшим количеством кислоты или основания. Реакции создают частицы размером несколько нанометров, образуя золь: жидкость с плавающими в ней крошечными твёрдыми частицами.
Придайте форму. Пока золь ещё жидкий, его наносят на деталь погружением или центрифугированием, распыляют, отливают в форму или вытягивают в волокна.
Дайте ему загеллироваться. Частицы соединяются в сеть, пронизывающую весь объём и удерживающую жидкость, как застывающий желатин. Это занимает от минут до суток; более долгая выдержка (старение) делает сеть прочнее.
Высушите. Медленное испарение стягивает сеть, поэтому гель усаживается в плотный стекловидный ксерогель и может растрескаться, если спешить. Сушка выше критической точки жидкости (сверхкритическая сушка, где нет поверхностного натяжения) сохраняет сеть открытой, давая аэрогель, состоящий в основном из воздуха.
Обожгите. Нагрев обычно до 400–1200 °C выжигает остатки органики и спекает поры, давая плотное стекло, керамику или твёрдое покрытие. Это намного ниже примерно 1700 °C, нужных для плавления кварцевого стекла. Аэрогели часто используют без обжига.

Ключевые факты

Материалы: Кремнезём, диоксид титана, диоксид циркония, оксид алюминия и смешанные оксиды; гибриды стекла и пластика
Типичные детали: Оптические и просветляющие покрытия, защитные плёнки, аэрогелевая изоляция, тонкие керамические порошки, волокна
Размер детали: Плёнки толщиной от нанометров до нескольких микрометров на деталях почти любого размера; сплошные изделия обычно лишь сантиметровых размеров, потому что при сушке крупные растрескиваются
Точность: Толщину плёнки можно контролировать примерно до десятков нанометров
Качество поверхности: Очень гладкие, оптически прозрачные плёнки
Подходящая партия: От единичных лабораторных образцов до непрерывных линий нанесения покрытий на стекло
Стоимость оснастки и оборудования: Низкая для покрытий: стеклянная посуда и установки погружения или центрифугирования — от нескольких тысяч долларов; сверхкритические сушилки стоят гораздо дороже
Скорость: Нанесение покрытия занимает минуты; гелеобразование — от часов до суток; сушка сплошных изделий может занять дни

Сильные стороны и ограничения

Сильные стороны

Низкие температуры по сравнению с плавлением стекла или спеканием порошка
Очень чистые, однородные материалы, смешанные на молекулярном уровне
Простые тонкие ровные покрытия на стекле, металле или пластике
Уникальные продукты, такие как аэрогели — самые лёгкие из созданных твёрдых тел

Ограничения

Крупные сплошные изделия трескаются при сушке
Большая усадка, часто более половины объёма
Химикаты (алкоксиды, растворители) дороги, а некоторые легко воспламеняются
Медленно: гелеобразование и сушка занимают от часов до суток

Где применяется

ОптикаПросветляющие и фильтрующие покрытия на линзах и стекле
Здания и энергетикаАэрогелевые утепляющие маты, покрытия на солнечном стекле
Электроника и датчикиТонкие оксидные плёнки, датчики газа и влажности
Защитные покрытияУстойчивые к царапинам и коррозии плёнки на металле и пластике
Космическая наукаАэрогелевые ловушки пыли, например в миссии NASA Stardust
Керамика и катализаторыОчень тонкие чистые порошки и пористые носители катализаторов

Как узнать процесс

Тонкие покрытия показывают слабые радужные или голубоватые оттенки от интерференции света, как мыльный пузырь.
Просветлённые линзы выглядят слегка окрашенными при наклоне и почти не отражают свет.
Аэрогель выглядит как застывший голубой дым и кажется почти невесомым.
Сплошные изделия, высушенные на воздухе, небольшие и могут иметь тонкие трещины.

Сравните с

Порошковая металлургия9.1тоже заканчивается спеканием, но начинается со спрессованного порошка, а не с жидкости.CVD-покрытие11.9строит тонкие плёнки из реагирующих газов, обычно при более высокой температуре и в вакуумной камере.Атомно-слоевое осаждение13.4выращивает плёнки по одному атомному слою, точнее, но гораздо медленнее.

Смотрите

University of California Television (UCTV) · Золь-гель химия от лабораторного эксперта, с живой демонстрацией первых шагов (примерно с 5:00)

NileRed · Весь путь в домашних условиях: смешивание, гелеобразование, замена растворителя, сверхкритическая сушка

nottinghamscience · Как работает особый этап сушки

Veritasium · Какой готовый аэрогель и для чего его используют

Смотреть реальные фото

Википедия: Sol–gel process — схемы процесса от золя до плёнки, ксерогеля и аэрогеля
Поиск фотографий в Wikimedia Commons

Запомните

Золь-гель технология строит твёрдое тело из жидкости: золь, затем гель, затем сушка, затем обжиг.
Она работает при низкой температуре, что идеально для тонких покрытий и чистых материалов.
То, как вы сушите гель, определяет результат: плотный ксерогель или лёгкий как пух аэрогель.