Ученые изобрели простой способ изготавливать сложные детали из кварцевого стекла. Для этого они предложили использовать низкотемпературное литье под давлением, где в качестве сырья используется не чистый диоксид кремния, а его нанокомпозит со связующим материалом. Потенциально это позволит изготавливать стеклянные детали так же массово, как и пластиковые.

Статья опубликована в журнале Science.

Стекло из чистого диоксида кремния, или кварцевое стекло, обладает множеством полезных свойств. Из-за низкого коэффициента преломления и прозрачности в широком диапазоне из него можно делать оптические компоненты. Кроме того, кварцевое стекло очень прочное, термостойкое и практически не меняет размеров от перепадов температуры, благодаря чему из него можно изготавливать лабораторное оборудование, оболочки газоразрядных ламп, архитектурные детали или иллюминаторы космических кораблей.

В то же время из-за этих свойств кварцевое стекло тяжело изготавливать и обрабатывать, и, что хуже всего, до настоящего момента детали из него не умели получать с помощью литья под давлением. При литье под давлением расплавленный или размягченный материал закачивается в форму, после чего деталь достаточно лишь слегка доработать. Это один из самых удобных методов изготовления сложных деталей из пластика или металла, но кварцевое стекло необходимо отливать при температуре около двух тысяч градусов, что гораздо выше точки плавления железа. Поскольку аппарат для литья под давлением при такой температуре получится очень дорогим и сложным, их трудно применять для массового производства, а потому стеклянные детали предпочитают заменять пластиковыми, хоть они и хуже.

Маркус Мадер (Markus Mader) из Фрайбургского университета и его коллеги изобрели метод отливки кварцевого стекла под давлением при низких температурах. Сырьем для их метода служит нанопорошок диоксида кремния с диаметром частиц от 50 до 100 нанометров.

Для начала его смешивают со связующим пластичным агентом, поливинилбутиралом, добавляют этиленгликоль и тщательно перемешивают. Затем смесь сушат, в результате чего получается податливая масса, напоминающая мягкий пластик по механическим свойствам. Из нее формируют гранулы, которые засыпают в экструдер, предназначенный для выдавливания материала с температурой 170 градусов и давлением 1000 бар.

Материал выдавливают в форму и остужают, в результате чего получается заготовка детали. Эту заготовку затем вымачивают в воде, чтобы избавиться от основной доли связующего вещества.

Чтобы вывести 80 процентов материала из заготовки сантиметровой толщины потребовалось 12 часов, но чем тоньше деталь, тем меньше необходимо времени. На финальном этапе заготовки перемещают в печь, чтобы нанопорошок спекся в монолитное стекло. Материал следует спекать в вакууме при температуре 1300 градусов в течение 24 часов, в результате чего получается качественное кварцевое стекло с прозрачностью более 90 процентов, гладкое без дополнительной обработки.

200 сырых стеклянных деталей, произведенные за 18 минут. Прозрачные справа прошли спекание. / Mader et al. / Science, 2021

Для демонстрации возможностей ученые сформировали 200 маленьких стеклянных деталей за 18 минут в полностью автоматическом режиме, а также несколько сложных стеклянных деталей, например, включающих микроканалы для жидкости. Кроме того, метод подходит и для работы с обычным стеклом. Ученые надеются, что этот метод позволит сделать стеклянные детали столь же распространенными, как и пластиковые.