La congelación-gelificación es una forma de procesamiento sol-gel de cerámica que permite fabricar un objeto cerámico en formas complejas, sin necesidad de sinterización a alta temperatura . El proceso es similar a la fundición por congelación .
El proceso es sencillo, pero, a fecha de 2005, no se conoce bien su funcionamiento. El proceso más común implica mezclar una solución de sílice con un polvo de relleno. Por ejemplo, si estuviéramos fabricando un componente a partir de alúmina (óxido de aluminio), seguiríamos utilizando un sol de sílice, pero con polvo de relleno de alúmina. Las cantidades relativas utilizadas varían, normalmente se añade entre 3 y 4 veces más relleno que sol por peso.
Se añade un agente humectante para que el polvo de relleno se disperse adecuadamente en el sol, que es principalmente agua. Esto hace que la mezcla quede pastosa y rígida. Sin embargo, la mezcla es altamente tixotrópica , de modo que cuando se vibra se vuelve líquida. La masa rígida se coloca en un molde y el molde se hace vibrar para licuar la mezcla, llenando el molde y liberando el aire atrapado.
Luego, el molde lleno se congela. Al congelarse, la sílice se precipita del sol y forma un gel . Este gel mantiene unido el polvo de relleno en algo que se aproxima a una forma verde sinterizada . Luego, el componente se seca en un horno y se obtiene el componente.
Las ventajas de la congelación-gelificación frente a la sinterización se basan fundamentalmente en el coste. No requiere equipos de alta presión ni hornos potentes (las temperaturas de secado apenas superan el punto de ebullición del agua), pero crea un producto útil que adopta la forma del molde con gran precisión.
En términos de ser simplemente un proceso por el cual se puede convertir un polvo en un monolito , la fundición por congelación podría ser tan antigua como la Tierra. Se cree que un material llamado sílice opalina laminar o LOS se forma mediante la fundición por congelación de ceniza volcánica y algunos suelos que contienen los soles necesarios para hacer el gel.
También es un proceso antiguo, conocido y estudiado desde hace más de 100 años, pero que nunca se ha aplicado de forma significativa a nivel industrial. Lottermoser, un alemán , escribió un artículo sobre "das Ausfrieren von Hydrosolen" (la congelación de hidrosoles) en 1908. A lo largo del siglo XX, varias personas han patentado técnicas que utilizan la congelación-gelificación, la mayoría de ellas centradas en el uso de cerámica como material refractario . Un ladrillo para revestimiento de horno o un molde de fundición a la cera perdida se pueden fabricar fácilmente utilizando este método.
Recientemente, en la Universidad de Bath (Reino Unido) se ha producido un gran interés por la técnica de moldeo por congelación , que dio lugar, de manera muy importante, a dos tesis doctorales: la de J. Laurie en 1995 y la de M. Statham en 1998. En conjunto, en orden cronológico, constituyen una buena introducción a la técnica para el interesado.
Para considerar las aplicaciones del moldeado por congelación, debemos considerar las propiedades del componente moldeado por congelación. En primer lugar, y de manera crítica, no es completamente denso. Contiene solo alrededor del 60-70% de materia sólida, el resto es aire en forma de porosidad . Esto a su vez conduce a una propiedad interesante de los moldeados por congelación: a menudo son porosos, no solo en la superficie, sino en todo su espesor. Un fluido penetrará a través de los poros en la fundición y eventualmente los empapará, como una esponja. Esto se debe a que en porcentajes de porosidad superiores al "umbral de percolación de poros", los poros se conectan en canales continuos. El umbral de percolación de poros depende de las características del material, pero normalmente es aproximadamente del 20%. Un componente con un 60% de densidad tiene un 40% de porosidad.
Como era de esperar, esta cantidad de aire en el componente reduce mucho su resistencia. La alúmina pura y completamente densa, por ejemplo, es tan resistente como el acero (mucho más resistente si se procesa con cuidado), pero los componentes de alúmina moldeados por congelación tienen una resistencia similar a la del hormigón. El componente moldeado por congelación también tiende a ser frágil y a fracturarse con facilidad.
Por lo tanto, es poco probable que los componentes de fundición por congelación se puedan utilizar estructuralmente (sin un procesamiento adicional, más adelante), pero tienen otras propiedades que los hacen útiles. Son bastante ligeros, con componentes de alúmina de fundición por congelación que tienen una densidad en torno a los 2,5 g/cm 3 , similar al aluminio. Son fáciles y baratos de fabricar, a partir de ingredientes baratos y seguros y sin utilizar equipos peligrosos. Pueden adoptar formas complejas, ya que se funden en lugar de mecanizarse . También pueden ser muy grandes, probablemente más grandes que los componentes cerámicos monolíticos fabricados mediante cualquier otro proceso. Por último, y de manera crucial, su porosidad significa que pueden ser infiltrados por materiales con propiedades útiles o procesados con otros materiales. Por ejemplo, el componente podría sumergirse en cobre fundido, de modo que el cobre sea atraído por acción capilar hacia la porosidad, lo que aumenta enormemente la conductividad del componente. Alternativamente, se podría utilizar polvo de cobre como polvo de relleno en lugar de algo de alúmina con el mismo fin.
Los componentes de fundición por congelación, en su forma básica, son ideales para su uso como objetos resistentes al calor. De esta manera, pueden ser útiles en la metalistería, como moldes o como sustratos para el conformado por pulverización de metal. Sin embargo, con un posprocesamiento adecuado, podrían cumplir muchas otras aplicaciones, como soportes de chips de silicio o incluso bloques de motor.
La ciencia no se entiende muy bien. Se sabe desde hace años que los soles de sílice (también conocidos como sílice coloidal, ácido silícico, ácido polisilícico) se gelifican cuando se exponen a temperaturas de alrededor de 0 °C (32 °F). El mecanismo teórico es bastante simple:
La sílice coloidal se produce por polimerización del ácido monosilícico, Si(OH) 4 , hasta que las cadenas de ácido polisilícico se hacen tan largas que forman partículas de sílice con superficies hidroxiladas. Al congelarse el sol, las partículas de sílice son expulsadas de la interfaz de solidificación y forzadas a entrar en los intersticios entre los cristales de hielo. Allí, entran en contacto entre sí y se unen a través de la condensación de sus grupos hidroxilo superficiales en enlaces de siloxano. Esto, que ocurre en todo el sol, forma un gel.
En un sol lleno, el polvo cerámico queda atrapado dentro del gel y forma un monolito.