Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Udfordringer i Rheologisk Karakterisering af stærkt koncentrerede Karantæner - et casestudie til silketryk Silver Indsætter

Published: April 10, 2017 doi: 10.3791/55377
Automatic Translation
1, 1
1Applied Mechanics Group, Institute for Mechanical Process Engineering and Mechanics, Department of Chemical Engineering, Karlsruhe Institute of Technology

Introduction

Forsiden metallisering af silicium solceller er almindeligt realiseret ved hjælp af traditionel serigrafi. Udover stencil trykning, inkjet print og flexotryk 1, har silketryk været anvendt siden 1970'erne for mange trykkerier applikationer 2. Det er en alsidig teknik og i solcelle produktion, sikrer enkel og hurtig metallisering til en lav udskrivning omkostninger. flowegenskaber silketryk pastaer har imidlertid nøje justeres for at sikre uforstyrret, defekt gratis behandling. Dette er en særlig udfordring i solcelle metallisering eftersom snævre ensartede stregmønstre skal nås. Endvidere pastarecepter har nøje justeret for at undgå sedimentering af den høje densitet sølvpartikler, faseadskillelse og partikelaggregering.

De højkoncentrerede ledende silketryk pastaer til front-side metallisering af solceller mainly består af tre komponenter 3, 4, 5, 6: det ledende materiale, generelt mikrometerstore sølvpartikler giver god elektrisk ledningsevne 7, 8; den kontinuerte fase, den såkaldte køretøj, en blanding af organiske bindemidler, opløsningsmidler og additiver fremmer partikel befugtning, filmdannelse og adhæsion til substratet, der også omfatter tilsætningsstoffer til justering af flowet adfærd, især tillader pastaen at passere de smalle skærm masker let; og det uorganiske bindemiddel (glaspulver) virker som en adhæsionsfremmer og aktiverer sintringsprocessen ved lavere temperaturer.

Udskrivning fine linier med en højt aspektforhold kræver sølv pastaer, der udviser en høj flydespænding og en udtalt forskydningsfortyndende adfærd 9. Det høje udbytte stress garanterer god shape nøjagtighed og en højt aspektforhold henviser stærk forskydningsfortyndende og en tilsvarende lav viskositet ved høje forskydningshastigheder er nødvendige, når pastaen strømmer gennem smalle maskeåbninger, hvor pastaen udsættes for høje forskydningshastigheder estimeret til at være over 10 3 s-1 10.

Under udskrivningen, er pasta udsat for meget forskellige deformation satser og spændinger. Først pastaen hviler på skærmen; derefter squeegee handlinger og pastaen trænger gennem sigteåbninger på substratet. Efter påføring af pastaen på siliciumskiven, struktur og viskositet skal komme sig hurtigt at forbyde pasta spredning på substratet. Dette ville reducere solcelle forestillinger som følge af højere shading tab 10, 11, 12, 13, 14, 15. Afbrydelser, de såkaldte meshmarks, i trykte fingerledninger kan forekomme på tværs punkter mesh ledninger afhængigt pasta rheologi. Tiden for at udjævne de meshmarks skal være så længe som nødvendigt, men også kort nok til at holde fingeren linje spreder så lavt som muligt 16.

Den skrabertrykket kræves for pastaen at flyde gennem maskerne på substratet skal justeres omhyggeligt til høj flydespænding nødvendigt at tilvejebringe god form nøjagtighed 3, 6, 9, 17, 18. Partikler er tæt pakket, vekselvirker stærkt og danne komplekse strukturer. Følgelig foruden flydespænding, forskydningsfortynding og thixotropi, kan der forekomme forskellige andre komplekse flow fænomener som shear banding eller avalanching i sådanne suspensioner 19, 20 </ sup>, 21. Væg slip er også afgørende at koncentrerede suspensioner 22, 23, 24, 25. Et tyndt lag væske af lavere viskositet, dvs. et lag depleteret eller fri for partikler dannes ud til væggen 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 og kan styre strømmen gennem smalle spalter eller kanaler.

Så en omfattende rheologisk karakterisering af silketryk pastaer er afgørende for at forbedre behandlingen egenskaber og produktegenskaber. I denne undersøgelse er to kommercielle sølv pastaer karakteriseret. Disse pastaer udviser væsentligt forskellige trykkerier forestillinger. Den rheologiske characterization af sådanne materialer er meget krævende. Selv den enkle bestemmelse af den stadige forskydningsviskositet ved anvendelse af et roterende rheometer er en stor udfordring på grund af væg slip, stempelstrømning, shear banding og indsætte udslippet. Følgelig tidligere undersøgelser fokuseret på oscillerende shear målinger 10, 17, 21 eller om karakteriseringen af lave koncentrerede sølv pastaer, såkaldte blæk 3, 6, 15, for hvilke de ovennævnte fænomener er usandsynlig.

Protokoller for en robust og meningsfuld karakterisering af strømningen opførsel af koncentrerede sølv pastaer kan defineres ved hjælp af videooptagelser. En roterende forskydningsrheometer med en parallel-plade prøve Armaturet er anvendt i denne undersøgelse, hvilket tydeligt viser, at stempelstrømning, væg slip, og shear banding afhænger af pladen runess i en ikke-triviel måde.

I tidligere arbejde blev tidsafhængig udvikling af væg slip i steady torsionsstivhed strøm af koncentrerede suspensioner undersøgt for forskellige plade ruhed. Strømmen af ​​stærkt koncentrerede suspensioner af faste glaskugler i polymerbindemiddel opløsning blev visualiseret og en forøget plade eller indre cylinder ruhed forhindret væg slip. Forøgelse plade ruhed resulterede i brud af prøverne 22, 25. Fraktur forekom ved mindre tilsyneladende forskydningshastigheder, når væggen ruhed blev forøget. Spidserne af ruheder i den ru overflader kan virke som spændingskoncentrationspunkter på pladens overflade, initiere brud ved forskydningsspændinger T mindre end flydespændingen τ y 25.

Væg slip anses for at være vigtig for skærmen udskrivning udførelsen af ​​stærkt koncentrerede pastaer. Fortiden e glider gennem nettet lettere ved højere væg slip og deponering på substratet forøges væsentligt 32. Med hjælp fra videooptagelser, kan væg slip direkte observeret for forskellige eksperimentelle protokoller. Slip hastighed kan bestemmes direkte fra vinkelhastigheden af ​​den roterende plade ved hjælp glatte plader med lav ruhed. Men flydeevne bestemmelse på sølv pastaer er en iboende begrænsning. Suspensionerne er ikke-gennemsigtig, kan så optisk flow feltobservationer kun ske på prøven rand. Tidligere undersøgelser har forsøgt at bestemme væg slip og deformation inden prøverne samtidig. De observerede slip under flydespændingen og fandt en kvadratisk afhængighed af slip hastighed på forskydningsspændingen. Strømmen opførsel af transparente ler suspensioner blev undersøgt ved Pignon 27 efter deformationen af et farvestof pigment linje injiceret i bulkmaterialet. Persello et al.xref "> 26 har undersøgt koncentrerede vandige silicasuspensioner. De fandt, at stigende plade ruhed at undertrykke væg slip ikke resulterer i en homogen prøve deformation men provokeret bulk-fraktur. Slip og prøvens deformation i mos af bløde mikrogelpartiklernes partikler og koncentrerede emulsioner har været intensivt drøftet i en række papirer 28, 29, 30, 31. Fluorescerende sporingspartikler blev anvendt til at bestemme strømningsfeltet inden for disse transparente prøver i en kegle-plade geometri. de fandt et karakteristisk slip hastighed V * ved flydespændingen af den respektive materiale og en potenslov for stigningen af slip hastighed med forskydningsspænding τ under τ y. en eksponent for en blev fundet for ikke-vedhæftende partikler og to i tilfælde af svage tiltrækning mellem partikler og væggen.

I undersøgelsen præsenterede hendee udviklingen af ​​deformation og flyde under kontrolleret spænding og kontrollerede forskydningsgrad betingelser overvåges. I modsætning til resultaterne rapporteret i referenceeksempel 25, stigende plade ruhed ikke resulterer i brud for begge de undersøgte pastaer. Desuden kan mur slip og plug flow ikke undertrykkes blot ved at øge plade ruhed. Disse fænomener synes at være styret af forholdet mellem partikelstørrelse og plade ruhed. Prøve spill sætter ind ved en karakteristisk rotationshastighed formodentlig bestemmes af balancen mellem centrifugalkræfter virker på og friktion på rheometerpladen. Imidlertid kan forskydningshastighedsområdet i hvilken viskositeten bestemmelse er mulig skal fastsættes, og samtidig væg slip kan kvantificeres. Endvidere er et kapillarrheometer anvendes til at bestemme viskositeten ved hastigheder højere forskydningshastigheder relevante for trykprocessen.

På trods af vanskelighederne med konstant forskydning rheometri, veldefineret oscillerende forskydningsdeformation cen implementeres nemt. En tre-trins svingning test (konstant frekvens, forskellige svingningsamplituder) simulerer silketryk proces 10 og giver mulighed for at studere strukturel genopretning af pastaen:

I den første "pre-print" trin fremstilles en lille deformation anvendt til at bestemme de elastiske og viskøse egenskaber i hvile. Den anden "print" trin simulerer bladcoating og pastaen passerer skærmnettet ved at anvende en tilstrækkelig høj deformation amplitude bryder pastaen struktur. I det endelige "post-print" trin fremstilles en lille deformation anvendes til påvisning den strukturelle genvinding af pastaen. Den indledende modulværdi bør nås hurtigt for at undgå pasta spredning men ikke for hurtigt at undgå meshmarks. Undersøgelserne præsenteres her bekræfter, at den strukturelle opsving er ufuldstændig som tidligere rapporteret af Zhou 21. Zhou kunne vise, at den strukturelle ændring er forårsagetved bruddet af fyld klynger af fyldstof-matrix afkobling anvendelse sølvpartikler suspenderet i ethylcelluloseopløsning. Videooptagelser i denne undersøgelse viser, at den observerede irreversible strukturændringer er ikke et artefakt relateret til forekomsten af ​​væggen slip, shear banding, plug flow eller prøve spild. Derudover har det vist sig, at graden af ​​strukturel nedbrydning afhænger stærkt af deformation amplitude anvendes i andet stadium, men næppe afhænger af tidsintervallet for den anvendte stamme. Dette aspekt blev ikke opfattet i forsøgene i Zhou. Indflydelsen af ​​pastaen sammensætning på strukturel nedbrydning og genvinding vil blive diskuteret i en senere papir.

Endelig er en metode til at simulere pastaen opførsel under skærmen snap-off præsenteret. En kapillær breakup forlængelsesviskositet rheometer og en kommerciel trækprøvemaskine anvendes til at bestemme den strækforhold hvor pastaerne bryde og den maksimale aksiale kraft under strækning som en funktionaf forlængelse hastighed.

Videooptagelser har vist sig at være uundværlig for at finde de passende måleprotokoller nødvendige for en meningsfuld rheologisk karakterisering af sølv pastaer under anvendelse parallel-plade roterende rheometri. Videodata aktiveret bestemmelsen af ​​forskydningshastigheden og forskydningsspændingsdata regimer, som fysisk veldefinerede stress udbytte og viskositetsværdier kunne bestemmes. Den passende valg af plade ruhed og separation parametre plade var også baseret på disse videooptagelser. Eksperimentelle indstillinger for hvilken væg slip, ren stempelstrømning, shear banding eller prøve spild forekomme kunne identificeres entydigt. De undersøgte her pastaer anvendes til forsiden metallisering af solceller. en omhyggelig video understøttes imidlertid rheologiske karakterisering er også vigtigt for forskellige andre former for koncentrerede suspensioner, herunder høj densitet, mikrometerstore partikler.

Protocol

Forsigtig: Se venligst alle relevante materiale sikkerhedsdatablade (MSDS) før brug. Flere af de komponenter, der anvendes til sølv pastaformulering er akut giftig kræftfremkaldende og vand, hvilke farlige stoffer. Brug venligst alle passende sikkerhedsforanstaltninger ved håndtering med sølv pastaer (personlige værnemidler - sikkerhedsbriller, handsker, lab coat, fuld længde bukser, lukket-tå sko). Også arbejdet med rheometer kræver omhyggeligt arbejde. Beskyt hænderne mod at blive fanget i de geometriske flytter til måling position.

1. Roterende Shear Målinger - målerapport

  1. Tilsyneladende viskositet bestemmelse - forskydningshastighed kontrollerede målinger
    1. Udføre drejende shear eksperimenter under anvendelse rheometer A med parallel-plade-geometri (plade ruhed Rq = 2 - 4 um, plade diameter d = 25 mm). Den nødvendige pasta volumen er 0,49 ml.
      1. Justermåling indstillinger for viskositetsbestemmelse. Foretage målinger på trinvis styret forskydningshastighed tilstand ligning = 0.01 s-1 - 1000 s-1 i 40 trin. Måletiden er 1.200 s.
      2. Placer udstyr til registrering af måle- hul i stilling: kamera stativ med vedlagte endoskopisk kamera, LED spotlight, og den eksterne computer for at gemme optagelserne. Juster endoskopiske kameraindstillinger, f.eks kontrast og lysstyrke på marken eksponeringen.
      3. Lige før opfyldning rheometeret hul Den blandes i reservoiret, så pastaen blandes homogent.
      4. Fylde rheometer hul med den blandede sølvpasta prøve.
        BEMÆRK: For en måling gap højden h ende = 1 mm, først gå til en spalte position h 1 = 1,05 mm til fjernelse af overskydende prøve fra kanten af rheometeret geometri. efter clearing den overskydende prøve, ændre selve spaltehøjden position fra h 1 til h ende.
      5. At visualisere pastaen flow i mellemrummet måling, markere pasta med sodpartikler i en lodret linje.
      6. Før start målingen, vent omkring 5 min indtil normal kræfter i mellemrummet har henfaldet.
      7. Start målingen. Start måleudstyret og videooptagelse på samme tid til at følge pastaen i hullet og at korrelere måler indstillinger, Rheometry resultater og videooptagelser korrekt.
      8. Gentag målingen trin 1.1.1.3 - 1.1.1.7 mindst tre gange.
      9. Plotte den tilsyneladende viskositet η app vs. tilsyneladende forskydningshastighed ligning app logaritmisk. Vurdere videooptagelser til at kontrollere den del af dominerende væg slip, den del af pasta deformation, og den del af prøven spild. Indstillingerne for parameter for hvilken en ensartet shøre profil er dannet kan påvises let baseret på videooptagelserne (figur 1).
        BEMÆRK: forskydningsspænding ved kanten af ​​pladen beregnes fra det registrerede drejningsmoment påføres af rheometeret og den tilsyneladende forskydningshastighed ved kanten af ​​pladen ved steady state. Den tilsyneladende forskydningshastighed henvises til vinkelhastigheden af ​​pladen og til spaltehøjden h ved den maksimale plade radius.
  2. Flydespænding bestemmelse - en sammenligning af shear stress kontrolleret målinger med forskellig plade ruhed og vinge geometri
    1. Flydespænding måling med en plade ruhed på Rq = 1,15 um.
      1. For målinger med Rq = 1,15 um, brug rheometer B med en plade diameter på d = 20 mm. Den nødvendige pasta volumen er 0,31 ml.
      2. Juster måler indstillingerne for flydespænding måling. Foretage målinger på trinvis kontrolleret forskydningsspænding mode. Variere forskydningsspændingen mellem 1 Pa til 3.000 Pa i 35 trin med et samlet måletid på 1.050 s.
      3. Saml et kamera stativ med vedlagte endoskopisk kamera, en LED spotlight, og den eksterne computer med software til at gemme videooptagelser. Juster indstillingerne endoskopiske kameraindstillinger, f.eks kontrast og lysstyrke af felt eksponeringen.
      4. Før påfyldning måling hul med sølvpasta Den blandes i reservoiret for at sikre, at den blandes homogent. Bruger en hastighed blander (30 sekunder ved 1.000 rpm). Efter blanding fylde hullet med pasta.
      5. Tag en lille mængde af den blandede pasta, anvende den til bundpladen af ​​parallel-plade-rheometer og bringe den øvre plade til en måleposition.
        BEMÆRK: For en måling med spaltehøjde h ende = 1 mm, først gå til kampen position h 1 = 1,05 mm, og fjerne den overskydende prøve fra kanten af rheometeret geometri. Efter clearing den overskydende sample, ændre den faktiske spaltehøjden position fra h 1 til h ende.
      6. Markere pastaen i måle- mellemrummet med sodpartikler i en lodret linje. Dette muliggør visualisering af pastaen deformation og flow i mellemrummet samt væggen slip.
      7. Før start målingen, vent omkring 5 min, indtil den normale kraft på den øvre plade er forsvundet.
      8. Start målingen nu. Start måleudstyret og videooptagelse på samme tid til at følge pastaen i hullet og at tilskrive de korrekte måling til videooptagelser.
      9. Fortsæt målingen, indtil pastaen er spildt ud af gabet.
      10. Gentag målingen i alt tre gange. For hver måling, rengøre måling kløft med ethanol, og gentag trin 1.2.1.4 - 1.2.1.9.
      11. Når målingen er færdig, plotte deformation γ vs. forskydningsspænding τ logaritmisk og bestemme flydespænding mediet ved anvendelse af tangent skæringspunkt metode 33.
    2. Flydespænding måling på en plade ruhed på Rq = 2 - 4 um.
      1. For målinger med Rq = 2 - 4 um, brug rheometer A med en plade diameter på d = 25 mm. Den nødvendige pasta volumen er 0,49 ml.
      2. Gentag trinnene 1.2.1.2 - 1.2.1.11 for udbytte stress målinger med en plade ruhed Rq = 2 - 4 um.
    3. Flydespænding måling på en plade ruhed på Rq = 9 um.
      1. For målinger med Rq = 9 um, brug rheometer B med en plade diameter på d = 20 mm og krævede pasta volumen 0,31 ml. Anvende dobbeltsidet tape til at fastgøre stykker af sandpapir til pladerne matchende deres diameter.
      2. Gentag trinnene 1.2.1.2 - 1.2.1.11 for flydespænding måling med en plade ruhed Rq = 9 um.
    4. Udbytte stress måling med vingen geometri.
      1. For flydespændingsegenskaber målinger med vingen geometri, anvende rheometer C.
      2. Juster måler indstillingerne for flydespænding måling. Udføre målingerne på trinvis kontrolleret forskydningsspænding tilstand ligesom parallelplade- målinger i 1.2.1, 1.2.2 eller 1.2.3. Parameterværdierne er τ = 1 - 3.000 Pa i 35 trin og en total måletid på 1.050 s.
      3. Inden påfyldning af cylindriske målebægeret med prøven Den blandes i reservoiret for at sikre, at prøven blandes homogent. Efter blanding fylde den cylindriske målebægeret med 10 ml sølvpasta.
      4. Bevæge skovlen geometri til målepositionen og vent 5 min.
      5. Start målingen nu.
      6. For pålidelige resultater, gentages målingen mindst tre gange.
      7. Når målingen er færdig, plotte deformation γ versus forskydningsspænding τ logaritmisk og bestemme flydespændingen ved hjælptangenten skæringspunkt fremgangsmåde som beskrevet ovenfor.
  3. Wall slip observation
    1. Udføre væg slip observationer med en plade ruhed Rq = 1,15 um under anvendelse rheometer B med en plade diameter d = 20 mm.
      1. Juster måler indstillingerne for væg slip bestemmelse den. Foretage målinger i kontrolleret forskydningsspænding tilstand for udvalgte forskydningsspændinger mellem 400 Pa og 1300 Pa og en måletid på 300 s samlede.
      2. Placer udstyr til optagelser af målestedet hul i stilling: kamera stativ med vedlagte endoskopisk kamera, LED spotlight og den eksterne computer for at gemme optagelserne. Juster endoskopiske kameraindstillinger, f.eks kontrast og lysstyrke på marken eksponeringen.
      3. Før påfyldning måling hul med sølvpasta Den blandes i reservoiret for at sikre, at den blandes homogent.
      4. Fylde rheometer hul med den blandede sølvpasta prøve.
      5. Markere pastaen i måle- mellemrummet med sodpartikler i en lodret linje for strømningsadfærd observation.
      6. Før start målingen vente ca. 5 min, indtil de normale kræfter i mellemrummet har henfaldet.
      7. Start målingen. Start måleudstyret og videooptagelse på samme tid til at følge pastaen i hullet og at korrelere måler indstillinger, Rheometry resultater og videooptagelser korrekt.
      8. Gentag trinnene 1.3.1.3 - 1.3.1.7 tre gange for hver udvalgt forskydningsspænding.
      9. Plot væggen slip hastighed v slip vs. forskydningsspænding τ at vise væggen slip adfærd (figur 9).
  4. Prøve spill undersøgelse under målingen roterende forskydning
    1. Udføre prøve spill undersøgelse med rheometer A (plade diameter d = 25 mm og krævede pasta volumen 0,49 ml).
      1. At bestemme afhængigheden af ​​indtræden af ​​prøven spill på spaltehøjde hløb trin 1.1.1.1 - 1.1.1.8 i forskellige gap højder.
        BEMÆRK: For en måling med
        h ende = 0,2 mm først gå til kampen position h 1 = 0,21 mm, og fjerne den overskydende prøve
        fra kanten af ​​rheometeret geometri
        h ende = 0,5 mm → h 1 = 0,51 mm
        h ende = 1,0 mm → h 1 = 1,05 mm
        h ende = 1,5 mm → h 1 = 1,55 mm
        h ende = 2,0 mm → h 1 = 2,05 mm
      2. Nuværende resultater som et plot af den tilsyneladende viskositet η app vs. tilsyneladende forskydningshastighed ligning app til forskellige gap højder (figur 10). Bestemme knækket i denne kurve og den tilsvarende kritiske omdrejningstal n crit og plot dette vs. spaltehøjden h (figur 11).
  5. Rheologiske karakterisering ent høj forskydningshastigheder udført med kapillarrheometer
    1. Udføre kapillarrheometer målinger under anvendelse af en dyse med cirkulært tværsnit. Brug en dyse med en diameter d = 0,5 mm og en længde L = 40 mm her. Diameteren af foderreservoirets er d foder = 20 mm.
      1. Justere måle- (stempel hastighed mellem 0,001 mm s -1 og 20 mm s -1). Foretage målinger på trinvis styret forskydningshastighed, 5S for hvert målepunkt.
      2. Prøven blandes for at sikre pastaen blandes homogent og fylde foderreservoirets med 78,5 ml sølvpasta.
      3. Bringe stemplet i måleposition og start målingen.
      4. Beregn forskydningsspændingen fra trykforskellen mellem prøvekammeret og kapillær udløb. Afgøre dette trykfald under anvendelse af en 500 bar tryktransducer. Optag mindst 5 trykværdier for hver udvalgt stempelhastighed.
      5. Fortsætte målingen, indtil foderet reservoir er tom.
      6. Gentag målingen (trin 1.5.1.2 - 1.5.1.5) tre gange.
      7. Beregne tilsyneladende forskydningshastighed fra den volumetriske strømningshastighed under anvendelse af stempel hastighed og diameter foderreservoirets og udfører Weissenberg-Rabinowitsch korrektion. Beregn væggen forskydningsspænding τ w fra den målte trykforskel 34. Den tilsyneladende viskositet er da givet som η app = τ vægt / ligning app. Endelig plotte den tilsyneladende viskositet vs. tilsyneladende forskydningshastighed for at fuldføre den rheologiske karakterisering ved høje forskydningshastigheder (figur 12).

2. Oscillerende Shear Målinger

  1. Amplitude sweep
    1. Udføre amplitude sweep målinger med rheometer A under anvendelse af en plade diameter på d = 25 mm og en ruhed Rq = 2 - 4 um. den required pasta volumen er 0,49 ml.
      1. Juster måler indstillinger for amplitude sweep måling. Foretage målinger på kontrolleret deformation amplitude ligning = 0.01 - 100% og en konstant frekvens på f = 1 Hz i 35 trin.
      2. Gentage trin 1.2.1.3 - 1.2.1.8 at fuldføre amplituden feje tre gange. Rengør momteringsafstand med ethanol før hver måling.
      3. Plot moduli G' og G "vs. deformationen amplitude ligning logaritmisk (figur 13). Deformationen amplitudeområde, hvori G'> G '' og begge moduler løber parallelt uafhængigt af deformationen amplitude ligning , Er den lineære viskoelastiske regime (LVE). For strukturelle genfindelsesforsøg vælge en deformation amplitude fra dette område for trin I og trin III . Til trin II i den efterfølgende tretrins strukturel genfindingstest vælge deformation amplitude 10% højere end ligning krydse hvor G'= G '' for at sikre et strukturelt brud ned mellem de strukturelle tests recovery.
  2. Tretrins strukturelle genfindingstesten
    1. Udføre strukturelle genfindelsesforsøg med rheometer A udstyret ved anvendelse af en plade med en diameter d = 25 mm og ruhed Rq = 2 - 4 um. Brug indstillingerne konstateret i amplitude sweep eksperimenter (2.1). Den nødvendige pasta volumen er 0,49 ml.
      1. Udføre tretrins-svingning test med forskellige svingningsamplituder ved konstant frekvens (f = 1 Hz).
        BEMÆRK:
        Stage I: Små svingningsamplitude i LVE påføres i et tidsrum på 300 s for at opnå den forskydningsmoduler af den oprindelige tilstand. For pasta Bfiler / ftp_upload / 55.377 / 55377eq2.jpg"/> I = 0,025%.
        Trin II: Den store stamme amplitude ( ligning II = 80%) er bestemt i trin 2.1 påføres i oscillerende shear mode for t II = 50 s, 150 s eller 600 s for tidsafhængighed undersøgelser. For deformationer afhængighed undersøgelser strain amplituderne mellem ligning II = 0,025% og ligning II = 100% anvendes hver for konstant tid (t II = 150 s).
        Trin III: Den samme lille svingningsamplitude ligesom i trin I anvendes til 1.200 s at følge med opsvinget over en længere tidsperiode.
      2. Gentag trin 1.2.1.3 - 1.2.1.8 at fuldføre tre trins svingning tester tre gange. Rengør måling gap med ethanol før hver måling.
      3. Plot moduli G' og G '' versus tid i en semi-log-afbildning (se figur 14 og figur 15 (a)).

3. Udstrækning Behavior fastsættelse - en Snap-off Simulering

  1. Stretching adfærd målinger med den kapillære breakup forlængelsesviskositeten rheometer
    1. Udføre strækning eksperimenter med den kapillære breakup forlængelsesviskositet rheometer. Brug to cylindriske stempler med en diameter d = 6 mm. Strække pastaer ved varierende hastigheder fra den indledende spaltehøjden h = 1 mm till filamentbrud.
      BEMÆRK: Bemærk, at dette ikke er en typisk filament udtynding eksperiment styres ved overfladespænding. Denne test kan også udføres med en skærm mesh fastgjort med emulsionen side på det øvre stempel og en wafersubstrat på bunden. Denne way trykkeproces under metallisering af mono- og multikrystallinsk industrielt forbehandlet Si-wafer efterlignes.
      1. Juster måler indstillingerne for strækning eksperimenter. Variere de strækkende hastigheder (f.eks: 7,5 mm s -1, 11 mm s -1 og 110 mm s -1) for at se ændringen i filament deformation og breakup adfærd.
      2. Tænd for høj hastighed kamera til at optage den ændring i form glødetråd. Indstil billedhastighed til minimum 250 fps og tænde for baggrundslyset at spore tråden deformation. justere Også indstillinger højhastigheds kamera, især billedets skarphed, kontrast og lysstyrke af felt eksponeringen.
      3. Før påfyldning måling hul med sølvpasta Den blandes i reservoiret for at sikre pastaen homogent blandet. Efter blanding fylde momteringsafstand med pasta.
      4. Tage en lille mængde (28,3 pi) af den blandede pasta til at anvende den i bunden stempel. Bring uppis stemplet til målepositionen (måling spaltehøjde h = 1 mm) og rense overskydende prøve fra kanten af ​​geometrien.
      5. Start måleindretningen og optagelserne af filamentet deformation på samme tid.
      6. Gentag målingen tre gange. For hver måling, rengøre måling kløft med ethanol, og gentag trin 3.1.1.3 - 3.1.1.5.
      7. Vælge det første billede, der viser filamentbrud at evaluere stemplet position x pause ved hvilken filamentbrud. Beregne den kritiske strækforhold (x br - x 0) / x 0 = Ax br / x 0. Bestemme denne mængde for forskellige stretching hastigheder (Figur 16).
  2. Strækkraften måling med træktesteren
    1. For trækprøveapparat eksperimenter anvender et stempel med en diameter d = 5 mm. Optage den resulterende tisile kraft under strækning.
      1. Juster måler indstillingerne for strækning eksperimenter. Variere de strækkende hastigheder, fx v = 10 mm s -1, 20 mm s -1, 30 mm s -1, og 40 mm s -1 og måle ændringen i strækkraft med en 50 N belastningscelle. Indstille indledende spaltehøjden h til h = 1 mm, og endestillingen til h ende = 12 mm.
      2. Før påfyldning måling hul med sølvpasta Den blandes i reservoiret for at sikre pastaen homogent blandet.
      3. Påfør pastaen til bundpladen af ​​træktesterens. Bringe den øvre plade til målepositionen og rense overskydende prøve fra kanten af ​​geometrien.
      4. Start måleindretningen og optagelserne af filamentet forlængelse på samme tid.
      5. Gentag målingen tre gange. For hver måling rense hullet måle- og gentag trin 3.2.1.2 - 3.2.1.4.
      6. Fra F vs. [6; x data den maksimale kraft F max detekteret under udvidelse og strækningsforholdet ved brud Ax br / x 0 opnås som vist i figur 17 (a). Plot Ax br / x 0 vs. de forskellige stretching hastigheder (Figur 17 (a)). Plot Fmax vs. strækning hastighed (Figur 17 (b)).

Representative Results

Viskositeten er en nøgleparameter i fluid forarbejdning og for multifasefluider dens afhængighed af forskydningshastighed bestemmes ofte ved hjælp af parallel-plade roterende rheometri. For højt koncentrerede suspensioner dette er hverken en ligetil heller ikke en triviel opgave, og definitionen af ​​en egnet måle- protokol kan være udfordrende. Her er det vist, hvordan stærkt koncentrerede sølv pastaer kan rheologisk karakteriseres kombinere rotations rheometri og videooptagelser. En robust forsøgsprotokol til bestemmelse af viskositeten konstant forskydning er etableret, og den tilgængelige forskydningshastighedsområdet bestemmes. Figur 1 viser en oversigt over tilsyneladende viskositet og tilsyneladende forskydningsspænding vs. den anvendte tilsyneladende forskydningshastighed for pasta B. Målingen sker med en plade ruhed på Rq = 2 - 4 um. Udskæringer fra videooptagelser tillader opdelingen af ​​den opnåede flowkurven i tresektioner. I snit dominerer en væg slip. Den øvre plade glider uden pasta deformation. I dette afsnit forskydningsspændingen er konstant. Pasta deformation sætter ind på ligning min, app = 0,07 s-1 markerer indtræden af sektion to. Samtidig forskydningsspændingen begynder at stige. Deformationen af ​​pastaen og stress stigning monotont indtil afsnit tre nås. På et kritisk forskydningshastighed eller vinkelhastighed pastaen kryber ud af hullet og samtidig tilsyneladende viskositet og forskydningsspænding drop kraftigt på grund af prøven udslippet. Følgelig viskositets- og forskydningsspænding kurver udviser en karakteristisk knækket som forekommer ved ca.
ligning max, app = 2,5 s-1. Det her ligning max, app markerer starten påprøve udslippet. Jo højere forskydningshastigheden jo hurtigere pastaen udstødes. Viskositeten af ​​pastaen er kun tilgængelige i forskydningshastighedsområdet på ligning min, app < ligning app < ligning max, app. Men da deformation inde i mellemrummet ikke er kendt og a priori må ikke være den samme som observeret ved randen viskositeten data, selv i det nominelle forskydningshastighedsområdet skal behandles som de tilsyneladende værdier. Forskydningsspændingen τ app ved randen af pladen r max beregnes ud fra det påførte drejningsmoment T på følgende måde
τ app = T (2π r max 3) -1 [3 + d (ln T) / d (ln ligning app)]. Den tilsyneladende forskydningshastighed ligningapp ved kanten af pladen er beregnet ud fra vinkelhastigheden Ω af pladen og spaltehøjden timer ifølge ligning app = Ω (Rmax / h) 34. Da den sande deformation og spændinger inde i mellemrummet ikke kendes disse beregnede stress og forskydningshastighed værdier skal behandles som tilsyneladende eller nominelle værdier.

I blødt materiale ofte en kritisk stress, den såkaldte flydespænding τ y, app, findes ved hvilken der observeres en overgang fra en elastisk reversibel deformation til irreversibel flow. Denne flydespænding er en nøglefaktor i pastaformulering vedrørende klassisk silketryk samt nye additiv fremstillingsteknikker. En høj flydespænding er ønskeligt at sikre form nøjagtighed efter udskrivning. Generelt, flydespændingen erbestemmes ud fra knækket i deformationen vs. forskydningsspænding tegnes ved tangenten vejkryds Fremgangsmåde eksemplarisk vist i figur 2. Ofte dette gøres ved hjælp af en såkaldt vinge geometri sikrer pålidelige og signifikante resultater uden virkningen af slip 35, 36. Måling flydespændingen med parallel-plade-geometri er en anden mulighed, der skal omhyggeligt valideret. Væg slip eller shear banding fænomener ofte observeret i stærkt fyldte suspensioner kan forstyrre flydespændingen evaluering. Derfor blev virkningen af pladen ruhed på τ y, er app bestemmelse undersøgt. Resultater for flydespændingen værdierne opnået for pasta A og B i stress sweep eksperimenter ved forskellige plade ruhed er vist i figur 3. Forøgelse af pladen ruhed medfører en stigning i beregnede udbytte stress, mens variationen i mellemrummet højde h ikke påvirker theermination af denne mængde. Figur 4 viser udskæringer af videoen taget for pasta A ved en plade ruhed på Rq = 1,15 um og et mellemrum højden h = 1 mm. Sodpartikler blev anbragt på prøven rand som en markør og endoskopisk videobilleddannelse blev anvendt til at karakterisere deformation ved prøven rand. Pastaen glider på bundpladen ved spændinger op til T app = 600 Pa, mens det klæber til den øvre plade. En stempelstrømning dannes i mellemrummet måling, dvs. prøven ikke deformeres og bestemmelse af en flydespænding eller viskositeten er meningsløst, selvom en knækket i den tilsvarende tilsyneladende deformation vs. forskydningsspænding kurve synes at antyde en overgang fra elastisk deformation til viskos flydning. Lignende adfærd opnås for andre gap højder for pasta A samt pasta B. Så en plade ruhed på Rq = 1,15 um er ikke egnet til bestemmelse af flydespændingen eller viscosity af sådanne stærkt fyldte sølv pastaer. I modsætning hertil for en plade ruhed Rq = 2 - 4 um (som angivet af fabrikanten) videobilleddannelse bekræfter dannelsen af en forskydningsdeformation profil ved randen (figur 5) som nødvendig for en pålidelig og veldefineret rheologisk måling. Stempelstrømning undgås, og for pasta A ensartet strøm sætter ind ved τ app = 1.360 Pa. Tilsvarende flow adfærd blev observeret for pasta B. Så dette valg af plade ruhed giver mulighed for en pålidelig flydespænding måling. Vælge en højere plade ruhed Rq = 9 um resulterer i højere flydespændingsværdier end opnået for plade ruhed Rq = 1,15 um og Rq = 2 - 4 um. Denne effekt er meget mere udtalt for pasta A end for pasta B. videooptagelser viser, at ingen forskydning profil er udformet med pasta A under denne måling (figur 6). Ved en stress τ app = 1.880 Pa den øvre plate begynder at bevæge sig uden pasta deformation. En stress af τ app = 2.605 Pa forårsager glider af pastaen på bundpladen stadig uden pasta deformation. Den kritiske stress svarende til knækket i deformationen vs. stress kurve markerer ikke overgangen fra elastisk til viskøs deformation, dvs. det er ikke den tilsyneladende flydespænding. I stedet er det markerer starten på slip og plug flow og har skal betragtes som kritisk slip stress τ slip. I modsætning hertil blev ingen plug flow observeret for pasta B under anvendelse af R q = 9 um plade (figur 7). Deformationen af pastaen starter ved τ app = 1.430 Pa og er fuldt udviklet på τ app = 1.597 Pa. Ved højere forskydningsspænding (τ app = 1.880 Pa) shear banding opstår, dvs. kun et mellemliggende smalle lag af prøven klippes. Stress udbytte opnået fra deformationen vs. stress data med F Rq = 2 - 4 um i tilfælde af pasta B, men det er meningsløst at bruge denne ru plade til τ y, app bestemmelse af pasta A. Til dobbelttjekke parallel-plade Rq = 2 - 4 um resultater, flydespændingen blev også målt med vingen geometri. Denne geometri er i sagens natur ikke påvirket af væg slip effekter og påbegyndelsen af hurtige vinge rotation ved en bestemt påført stress er utvetydigt relateret til den strukturelle opdeling inden pastaen i det cylindriske plan defineret af diameteren af vingen 35, 36. Figur 8 viser, at de opnåede under anvendelse af vingen geometri resultater stemmer meget godt med dem opnået fra parallel-plade rheometri med Rq = 2 - 4 um. Baseret på resultaterne præsenteret ovenfor, blev alle yderligere forsøg under anvendelse af en plade med ruhed Rq = 2 - & #160; 4 um undtagen væg slip hastighedsmålinger de. Pladerne med ruhed Rq = 1,15 um og Rq = 9 um kan ikke anbefales til flydespænding og viskositet bestemmelse af sølv pastaer eller andre stærkt fyldte suspensioner svarende til dem undersøgt her. Endelig er det anført, at flydespænding pasta A er højere end den for pasta B.

Væg slip er en anden vigtig parameter for en vellykket udskrivning. Jo højere væg slip, jo bedre pastaen strømmer gennem skærmen maskeåbninger 32. Væggen slip hastighed, dvs. den relative hastighed af den bevægelige plade og den tilstødende pasta lag, kan vurderes direkte fra videooptagelser uanset plug flow eller forskydningsdeformation hersker i hullet. En glat øvre plade og en ru bundplade skal anvendes ved udførelse disse forsøg 25 27, 28, 30. Hvis prøven inde i åbningen er i hvile, er slip hastighed givet direkte af hastigheden af ​​den øvre plade. Figur 9 viser væggen slip hastighed vs. forskydningsspænding som fastsættes i henhold til sidstnævnte betingelser under anvendelse af en plade med Rq = 1,15 um. Glide tydeligt forekommer ved spændinger langt under flydespændingen ens som observeret for koncentrerede emulsioner og pastaer bløde mikrogelpartiklernes partikler 28, 29, 30. For pasta A, opnås højere væg sliphastigheder end for pasta B uanset påførte spænding. I begge tilfælde glider hastighed stiger lineært med påført stress. Men det opnåede hældning m A = 0,33 um (Pa.s) -1 for pasta A er næsten tre gange højere end hældningen m B = 0,12 μm (Pa.s) -1 opnået for pasta B. Tilsvarende som observeret tidligere 28, 29, 30, en karakteristisk slip hastighed V * ved ca. en stress niveau svarende til flydespændingen er fundet og over τ y slip er næppe målelig. For pasta A og B, V A * = 0,37 mm s -1 og V B * = 0,11 mm s -1 hhv.

Prøven afsmitning tilskrives den stærke centrifugalkraft, som virker på høj tæthed mikrometerstore partikler og bør derfor styres af den vinkelmæssige eller rotationshastighed n crit ved hvilken centrifugalkraften dominerer over viskos friktion. For at teste dette blev måle- spaltehøjden h steg fra 0,2 mm til 2 mm. Intensiteten af ​​prøven spillover stiger med gap højde h og forskydningshastighed. Jo bredere spaltehøjden de tidligere eksempler spill sæti, dvs. ligning crit er lavere (figur 10). Figur 11 viser, at prøve spill sætter ind på et kritisk vinkelhastighed n crit uanset prøve højde h mellem 0,5 mm og 2 mm. For pasta A, den kritiske omdrejningstal er n crit, A ≈ 0,6 min -1 og for pasta B er n crit, B ≈ 1,7 min-1. Konstateringen n crit, A <n crit, B kan skyldes forskellig viskositet køretøj eller på grund af varierende sølv partikelstørrelse. Men begge pastaer udviser meget højere n crit værdier for en monterings afstand højde h = 0,2 mm. Således faldende spaltehøjden muliggør en bredere shear rate område, i hvilket viskositeten bestemmelse er mulig. Årsagen til de høje n crit værdier fundet for h = 0,2 mm er endnu ikke klart. Dette kan skyldes et større bidrag af overfladen tision på prøven rand eller på grund af dannelsen af ​​aggregater tilstopper snævert gab. Yderligere undersøgelser er nødvendige for at præcisere, at. Figur 10 bekræfter endvidere, at for ligning app = 0,07 s-1 - 2,5 s-1 den tilsyneladende viskositet data opnået ved forskellige gap højder varierer ikke systematisk, dvs. væg slip er ubetydelig under disse forsøgsbetingelser. Varierende forskydningshastigheden fra høj til lav eller fra lave til høje værdier giver de samme data viskositet, så længe n crit ikke overskrides, dvs. ingen spild finder sted, dvs. der er ingen tegn på irreversibel strukturændringer i prøven.

En kapillarrheometer anvendes til at bestemme pastaen viskositeten især ved procesorienterede høj forskydningshastigheder. Den Weissenberg-Rabinowitsch korrektion for ikke-parabolisk hastighedsprofil is gjort her for at få den sande forskydningshastighed i tilfælde af ikke-newtonske væsker 34. tab indgangen tryk er ubetydelig på grund af den høje L / d-forhold >> 1, men forekomsten af ​​væggen slip er ikke undersøgt i dette tilfælde, og data skal derfor behandles som tilsyneladende viskositetsværdier. Figur 12 viser den tilsyneladende viskositet for både pastaer A og B bestemt med parallel-plade roterende rheometri og kapillarrheometri. Bemærkelsesværdigt, de opnåede fra både eksperimentelle teknikker data synes at være enige meget godt for begge pastaer antyder, at væg slip er af mindre betydning i de kapillarrheometri målinger udført her. Endelig pasta A og B udviser lignende tilsyneladende viskositet ved lave forskydningshastigheder men viskositeten af ​​pasta A er højere end den for pasta B i høj forskydning regime.

Steady målinger shear under anvendelse parallelplade- drejelige rheometre være perforMED omhyggeligt og kan blive forstyrret af væg slip, shear banding eller prøve spild som udførligt beskrevet ovenfor. Derfor anvendelse eksperimenter oscillerende shear er blevet foreslået, at karakterisere strukturel nedbrydning og genvinding af sølv pastaer under silketryk proces. Dette gøres i en tretrins oscillerende test som foreslået af Hoornstra, Zhou og Thibert 10, 15, 21. Første, en amplitude sweep skal udføres for at bestemme den lineære og ikke-lineære respons regime ved en forudvalgt frekvens (figur 13). Den lineære viskoelastiske regime udmærker sig ved konstant, ligning -uafhængige modulværdier og G'> G ''. Henfaldet af lageret G' som helhed ligning vælges som kriterium for at identificere starten af ​​den ikke-linær respons regime. Den karakteristiske deformation amplitude ligning c markerer overgangen fra lineære til ikke-lineær respons defineres som amplituden ved hvilken G 'er faldet til 80% af den gennemsnitlige startværdi G' 0 i det lineære regime: G '( ligning c) = 0,8 G' 0. I trin I og III i testen, en lille svingningsamplitude inden for det lineære viskoelastiske reaktion regime, dvs. ligning < ligning c er valgt til at karakterisere resten struktur af pastaen (trin I) såvel som tidsafhængigheden og graden af genvinding i tredje fase af testen efter ødelæggelsen af den oprindelige struktur på grund af en høj deformation amplitude anvendes i trin II. figur 14viser tilsvarende resultater for pasta B. I trin I pastaen deformeres ved ligning = 0,025% og G' er højere end G '', dvs. den elastiske opførsel af pastaen er fremherskende. Når deformation forøges i trin II, G '' er højere end G' sikre den strukturelle opdeling inden pastaen i denne periode af store deformation. Stadium III simulerer hvilende af fingerledninger på substratet efter udskrivning. I denne fase G 'er højere end G '' igen, men G' og også G '' er lavere end de respektive indledende G' og G '' værdier før pastaen struktur blev ødelagt. Videooptagelserne bekræfte, at dette ikke er relateret til effekter som væg slip, plug flow eller prøve spild. Pastaen deformeres ensartet under oscillerende forskydning, klæber til pladen, og indikerer hverken væg slip eller prøve udslippet. Derfor kan det konkluderes, at den ufuldstændigegenvinding af forskydningsmoduler indikerer en irreversibel strukturændringer i prøven på grund af det påførte stor amplitude forskydning i trin II. Resultaterne vist i figur 15 (a) data viser, at graden af irreversibel strukturændring ikke afhænger af varigheden af den store deformation amplitude oscillerende forskydning anvendt i trin II. Resultaterne i trin III ikke variere for forskellige perioder forskydning tid t II. Værdien af ​​det valgte deformation amplitude i trin II har en stærk indflydelse på graden af ​​strukturel genopretning. Dette er indlysende fra figur 15 (b) viser forskellen mellem oplagringsmodulet værdier bestemt i trin III og I AG 'normaliseret af den oprindelige modulværdi G' I. Til ligning > 20%, dvs. ved deformationer svarende til crossover af G' og G "(se figur 13) pasta B genindvinder kun 30% af den oprindelige værdi og indsætte en kun 10%. Dette anses for en pasta ejendom afgørende for forskellige coating operationer og dens afhængighed af pasta sammensætning vil blive behandlet i det fremtidige arbejde. Bemærk, det strukturelle opsving umiddelbart efter ophør af stor amplitude oscillerende forskydning i fase II ville være af største betydning, især for silketryk proces, men det kommercielle rheometer anvendt her ikke tillader bestemmelse af pålidelige data inden for den første sekund efter skiftende ligning .

er blevet udført af endeløse strækker eksperimenter for at simulere snap-off under silketryk. Snap-off tilhører det sidste trin i silketryk. Figur 16 viser, at de endeløse længder ved brud øges med stigende stretching hastighed for både pastes. Brud altid forekommer i lavere strækforhold (x br - x 0) / x 0 = Ax br / x 0 for pasta B end for pasta A, men denne forskel synes at falde lidt med stigende stretching hastighed. Da filamentbrud pasta B sker ved en lavere strækforhold denne Pastaen kan have bedre snap-off egenskaber.

Opnået med den kapillære breakup forlængelsesviskositeten rheometer imaging setup resultater bekræftes af træktesteren eksperimenter. Tilsvarende resultater er vist i figur 17. Igen strækforhold på hvilken filamenterne bryde stigning med stigende stretching hastighed (Figur 17 (a)) og indsæt B pauser ved lavere Ax br / x 0 værdier end pasta A. Men de absolutte værdier Ax br / x 0 opnået med kapillær breakup elongational rheometer er altid højere end tilsvarende værdier opnået med trækprøvemaskinen. Dette tilskrives de forskellige plade diametre d = 6 mm og d = 5 mm, dvs. forskellige indledende prøvevolumener til den kapillære breakup forlængelsesviskositeten rheometer og trækprøveapparat. Endelig trækprøveren tilvejebringer også en anden karakteristisk parameter den maksimale kraft Fmax virker på filamentet under strækning. Denne mængde øger også lineært med stigende adskillelse hastighed, men i dette tilfælde opnået for pasta B værdier er større end for pasta A. Yderligere undersøgelser vil være nødvendige for at afsløre relevansen af Fmax for silketryk proces eller andre overtræksoperationer.

figur 1
Figur 1. Tilsyneladende viskositet ved kontrolleret forskydningshastighed parallel-plade roterende rheometri. Oversigt over resulting tilsyneladende viskositet og forskydningsspænding målt ved kontrolleret forskydningshastighed tilstand med en parallel-plade-rheometer (kort: PP), plade ruhed Rq = 2 - 4 um og gap højde h = 1 mm. Klassificering af tilsyneladende forskydningshastighed i tre sektioner baseret på videooptagelser under målingen. Wall slip, pasta deformation og prøve spild er fremhævet i videooptagelsen udskæringer. Pasta B vælges eksemplarisk her, men tilsvarende resultater blev opnået for pasta A. Fejlsøjlerne beregnes som standardafvigelsen opnået fra mindst tre uafhængige målinger. Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 2
Figur 2. Anvendelse tangenten skæringspunkt fremgangsmåde til flydespænding bestemmelse. Deformationsegenskaberne γ, dvs. forskydningen af den øvre plade divideret med spaltehøjden, afsættes mod den påførte nominelle forskydningsspænding τ app. Forskydningsspændingen kontrolleret målingen er udført med en plade ruhed Rq = 2 - 4 um og en gap højde h = 1 mm. Paste B vælges eksemplarisk her, men lignende resultater blev opnået for pasta A. Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 3
Figur 3. Effekt af plade ruhed på flydespænding. Den resulterende flydespænding for forskellige plade ruhed Rq = 1,15 um, Rq = 2 - 4 um og Rq = 9 um vs. spaltehøjden h. Resultater afhænger af pladen roughness Rq og er uafhængig af varierende måling spaltehøjden (venstre: klister A, højre: pasta B). Fejlsøjlerne beregnes som standardafvigelsen opnået fra mindst tre uafhængige målinger. Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 4
Figur 4. Udskæringer fra videooptagelser ved varierende forskydningsspænding. Her i eksemplet med pasta A målt med plade ruhed Rq = 1,15 um. Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 5
Rq = 2 - 4 um. Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 6
Figur 6. Udskæringer fra videooptagelser ved varierende forskydningsspænding. Her i eksemplet med pasta A målt med plade ruhed Rq = 9 um. Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 7
Figur 7. Udskæringer fra video recor dings på varierende forskydningsspænding. Her i eksemplet med pasta B målt med plade ruhed Rq = 9 um. Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 8
Figur 8. Resulterende flydespænding. En sammenligning af flydespændingen for pasta A og B bestemmes med vingen geometri og Rq = 2 - 4 um parallel-plade geometri. Fejlsøjlerne beregnes som standardafvigelsen opnået fra mindst tre uafhængige målinger. Klik her for at se en større version af dette tal.

pload / 55.377 / 55377fig9.jpg"/>
Figur 9. Afhængighed af væg slip på forskydningsspænding. Væg slip hastighed v slip vs. forskydningsspænding τ for pasta A og B bestemt med Rq = 1,15 um parallel-plade geometri ved spaltehøjde h = 1 mm. Den karakteristiske væg slip hastighed opnået ved flydespænding af materialet er angivet som V *. Fejlsøjlerne beregnes som standardafvigelsen opnået fra mindst tre uafhængige målinger. Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 10
Figur 10. Virkning af spaltehøjde på prøve spild. Tilsyneladende viskositet ved varierende måling spaltehøjde hi kontrolleret forskydningshastighed tilstand for pasta B og plade ruhed Rq = 2 - 4um. Spaltehøjden varieres mellem h = 0,2 mm og h = 2,0 mm. Nedadgående knækket viskositetskurve sætter ind ved højere forskydningshastigheder, når en lavere spaltehøjde vælges. Spaltehøjden varieres mellem h = 0,2 mm og h = 2,0 mm. Fejlsøjlerne beregnes som standardafvigelsen opnået fra mindst tre uafhængige målinger. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 11
Figur 11. Den kritiske rotationshastighed på hvilken prøve spill sæt i Rotationshastighed n crit ved hvilken nedadgående knækket kurven viskositet sætter ind vs. spaltehøjde h under anvendelse af parallel-plade geometri med Rq = 2 - 4 um (venstre.: indsæt A, højre: pasta B). Prøve spillover sætter ind på dette characteristic rotationshastighed som bekræftet af videooptagelser. For pasta en prøve spill sætter ind ved n crit, A = 0,6 min -1 og for pasta B ved n crit, B = 1,7 min-1 for gap højde h ≥ 0,5 mm. Fejlsøjlerne beregnes som standardafvigelsen opnået fra mindst tre uafhængige målinger. Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 12
Figur 12. Viskositet i en bred forskydningshastighedsområdet. Tilsyneladende viskositet på pasta A og B bestemt i en bred forskydningshastighedsområdet anvendelse parallel-plade roterende rheometri (spaltehøjde h = 0,2 mm og h = 1 mm; Rq = 2 - 4 um) og kapillarrheometri (d = 0,5 mm og L = 40 mm). Fejlsøjlerne beregnes som standar d afvigelse opnået fra mindst tre uafhængige målinger. Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 13
Figur 13. Bestemmelse af lineære og ikke-lineær reaktion regime i oscillerende forskydning. Amplitude sweep test for pasta B: G', G '' vs. deformation amplitude ligning ved fast frekvens f = 1 Hz. Test udført under anvendelse af en roterende rheometer udstyret med parallel-plade-geometri (Rq = 2 - 4 um, gap højde h = 1 mm). Fejlsøjlerne beregnes som standardafvigelsen opnået fra mindst tre uafhængige målinger.large.jpg" target = '_ blank'> Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 14
Figur 14. Tretrins strukturel recovery test. Tretrins strukturel recovery test for pasta B udføres ved konstant frekvens f = 1 Hz med en parallel-plade rotationsrheometer (plade ruhed Rq = 2 - 4 um). Den påførte deformation amplitude ligning i trin I er 0,025%, i trin II ligning = 80% og i trin III ligning = 0,025%. Videooptagelser bekræfte homogen prøve deformation hele hullet, ingen væg slip, shear banding, plug flow eller prøve spild forekommer. Fejlsøjlerne beregnes som standardafvigelsen opnået fra mindst treuafhængige målinger. Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 15
Figur 15. Strukturelle genfindelsesforsøg. (A) Virkning af klipning tid på strukturel genopretning. Strukturel genvinding af pasta B for ligning II = 80% og forskellig varighed af trin II, t II = 50 s, 150 s og 600 s. (B) Virkning af deformation amplitude på strukturel genopretning. Relativ irreversibel strukturændringer
(G '(t → ∞) - G' (t = 0)) / G '(t = 0) = AG / G' I som en funktion af deformation amplitude ligning anvendt i trin II i tre stage strukturelle recovery test bestemt for pasta A og B ved konstant t II = 150 s. Fejlsøjlerne beregnes som standardafvigelsen opnået fra mindst tre uafhængige målinger. Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 16
Figur 16. Optisk bestemmelse af filamentbrud i forlængelsesviskositet deformation. Kritiske, elastiske strækforhold på hvilket filamentbrud gælde for pastaer A og B i forskellige stretching hastigheder som opnås ved anvendelse af den kapillære breakup forlængelsesviskositeten rheometer (begyndelsesgab højde h = 1 mm). Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 17
Figur 17. Trækprøvning - aksial kraft under forlængelsesviskositet deformation. Resulterende Ax br / x 0 (a) og resulterende kraft F max (b) vs. strækning hastighed opnået for pasta A og B med trækprøvemaskinen. Den initiale spaltehøjde er h = 1 mm og stemplet diameter d = 5 mm. Indsatsen viser rå kraft F vs. strækningsforhold data for pasta B opnået ved v = 30 mm s -1 for at demonstrere bestemmelse af Fmax og Ax br. Fejlsøjlerne beregnes som standardafvigelsen opnået fra mindst tre uafhængige målinger. Klik her for at se en større version af dette tal.


Tabel 1. Oversigt over anvendte metoder, svarende karakteristisk information og forskelle mellem specifikke flydeegenskaber af pasta A og B. Klik her for at se en større version af denne tabel.

Discussion

En omfattende rheologisk karakterisering af stærkt koncentrerede suspensioner eller pastaer er obligatorisk for en målrettet møde produktudvikling de mangfoldige krav under bearbejdning og anvendelse af sådanne komplekse væsker. Denne undersøgelse omfatter bestemmelse af flydespændingen, viskositet, væg slip hastighed, strukturel restitution efter stor deformation og brudforlængelse samt trækkraft under filament strækning. Et sammendrag af alle anvendte metoder, opnåede information, og indsætte karakteristika er opsummeret i tabel 1.

Betydningen af ​​videooptagelser til pålidelig bestemmelse af rheologiske mængder af stærkt fyldte suspensioner viser væg slip, shear banding og prøve afsmitning i parallel-plade roterende rheometri påvises. Videooptagelser muliggøre bestemmelsen af ​​den sande deformation profil og strømningsfeltet mod prøven rand ved anvendelse af passende markører. Det er necessAry at studere denne deformation før analyse af resultaterne af rheologiske eksperimenter. Således måling parameterindstillinger og plade ruhedsværdier kan identificeres, for hvilke viskositetsmålinger er mulige. Pastaen flydespænding kan bestemmes enten ved hjælp af en vinge geometri eller plade-plade geometri med passende ruhed.

Viskositet bestemmelse er mulig under anvendelse af plade-plade geometri kun med en nøje udvalgt plade ruhed afhængigt prøve sammensætning. Højere ruhed ikke nødvendigvis resulterer i lavere væg slip. sats shear eller forskydningsspænding område, i hvilket skositetsbestemmelse kan gøres er begrænset af flydespændingen og påbegyndelsen af ​​prøven spild.

Endvidere kan glide hastigheden måles direkte og måleforhold på hvilket plug flow, shear banding eller prøve afsmitning forekomme klart kan identificeres. Til væg- slip målinger glatte overflader blev anvendt som øvre klipning plate og et groft bundplade for at tillade slip kun på den øvre plade. Denne slip hastighed kan beregnes direkte fra vinkelhastigheden af ​​den øvre plade. For begge pastaer forekommer slip ved spændingsniveauer såvel under den tilsyneladende flydespænding. Der er rapporteret lignende observationer for suspensioner af glasperler 25, ler suspensioner 27, bløde mikrogelpartiklernes pastaer samt for emulsioner 28, 29, 30. Her findes en lineær stigning på v slip med τ app. Dette er i overensstemmelse med observationerne af Aral et al. 25, der også bestemt v slip anvendelse visualisering af strømningsfeltet ved randen af de undersøgte glasperler suspensioner.

Seth et al. har vist, at skaleringen af ​​slip hastighed med påført stress styres af samspillet mellem den bløde partikles de brugte i deres undersøgelse og væggen. For det tilfælde, hvor der ikke er nogen specifik vedhæftning af partiklerne til væggen, de også finde en lineær sammenhæng mellem v slip og stress, men en kvadratisk skalering er fundet for partiklerne svagt klæber til glasset 28, 29, 30. Undersøgelserne vedrørende bløde partikel pastaer afslører også en karakteristisk slip hastighed V * ved flydespænding og en elastohydrodynamiske model præsenteres 29 gør det muligt at beregne V * fra fysisk væske og partikler parametre, som kan bestemmes uafhængigt: V * ~ γ y2 (G 0 R / η s) (G P / G 0) 1/3. Denne egenskab slip hastighed afhænger af pastaerne opnåelse stamme γ y og elasticitetsmodul G 0, solvent viskositet η s, samt partikle radius R og modul G P. Værdierne som følge af denne enkle estimatet (V A * = 375 um s -1 og V B * = 118 um s-1) enig meget godt med de eksperimentelle resultater (figur 9), ikke blot med hensyn til størrelsesorden men også vedrørende forskellen mellem pasta A og B.

Prøve spild observeres her på et kritisk omdrejningstal karakteristisk for hver pasta. Spild ikke forekommer i de rene køretøjer. Dette fænomen begrænser rheologisk karakterisering af pastaerne og kan også være relevant for visse behandlinger eller overtræksoperationer men dens fysiske oprindelse stadig uløst.

Videooptagelser viser endvidere, at væggen slip, plug flow og prøve spild kan udelukkes under oscillerende forskydningsprøvning. Derfor faldet og stigningen i forskydningsmoduler observeret under tre trins oscillerende forskydningsprøvning med small svingningsamplitude i trin I og III samt store deformation amplitude ligning > ligning c direkte kan henføres til strukturelle nedbryde og nyttiggørelse. Det kunne vises, at graden af ​​irreversibel strukturel ændring under svingende shear stiger med stigende deformation amplitude i trin II indtil en mætning nås deformationer svarende til crossover af G' og G "i amplituden sweep test, men den irreversible skader er uafhængig af varigheden af ​​høj amplitude forskydning i trin II. Ændringen i modul og dermed prøve struktur på grund af stort forskydningsdeformation i trin II betegnes irreversibel her siden efter ventetider på mere end 10 4 s, lagermodulet er langt lavere end den oprindelige værdi (data ikke vist). Resultaterne vist i figur 15 data er begrænset til ventetidtidspunkter af 1.500 s for overskuelighedens skyld. Dog skal det bemærkes, at den tid, omfanget af trykprocessen er på rækkefølgen af ​​sekunder eller endda nedenfor. Dette er ikke tilgængelig med den traditionelle roterende rheometer setup anvendt i denne undersøgelse.

The Gap højder anvendt i denne undersøgelse er også meget større end typiske mesh åbninger i silketryk af moderne trykte elektronik. Rheologiske målinger under anvendelse plade-plade geometri kan ikke ske på sådanne små gap åbninger grund af begrænsninger i mekanisk justering for store plader typisk anvendes i rheologiske målinger. Endvidere har store gap separationer her valgt at lette visualisering af prøvens deformation ved randen.

Filament strækning afprøves med en kapillær breakup forlængelsesviskositet rheometer og en trækprøvemaskine kan anvendes til at karakterisere deformation og opbrydning adfærd af stærkt fyldte pastaer i forlængelsesviskositet strømme. Forlængelsen ved pausen og maks kraft under forlængelse er parametre opnået fra disse tests, og kan være relateret til den gummiskraber snap-off under silketryk.

Endelig blev observeret signifikante forskelle i alle eksperimenterne beskrevet ovenfor for de undersøgte i denne undersøgelse to kommercielle sølv pastaer. En udvidet diskussion af relevansen af ​​de rheologiske pasta ejendomme til deres ydeevne vil blive behandlet i et senere papir baseret på data for en bred vifte af forskellige pasta og køretøjer.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
endoscopy Visitool TVS80.280.BF6.AD10.2 full name: TV-Endoskop, C-Mount, Variookular 2X, Ø 8 mm x ca. 280 mm, 0°, BF: 6 mm, AD 10 mm
commercial silver paste  Heraeus Deutschland GmbH & Co. KG
Global Business Unit Heraeus Photovoltaics
rheometer A Anton Paar Physica MCR 501 Rq = 2 - 4 µm
rheometer B Thermo Scientific Haake Mars II Rq = 1.15 µm
Rq = 9 µm
rheometer C Thermo Scientific (formerly Haake GmbH) Rheostress 150 vane geometry
sandpaper Jean Wirtz Düsseldorf Metallographie P320 C Rq = 9 µm
grain size = 46.2 ± 1.5
recording software Debut Video Capture
LED Spotlight Kaleep  48W Led Work Lights
Offroads Lights
Lamp Spotlight Floodlight 
capillary breakup elongational rheometer Thermo Scientific (Haake) HAAKE CaBER1
tensile tester Stable Micro Systems, Godalming, UK TA.XT plus
Texture Analyzer 
50 N load cell Stable Micro Systems, Godalming, UK Serialnumber: 10256249
a modified capillary rheometer Göttfert Rheograph 2000 (Göttfert Werkstoff-Prüfmaschinen GmbH, Buchen Germany)
500 bar pressure transducer Gefran, Selingenstadt, Germany

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Mathews, N., Lam, Y. M., Mhaisalkar, S. G., Grimsdale, A. C. Printing materials for electronic devices. Int. J. Mater. Res. 101 (2), 236-250 (2010).
  2. Ralph, E. L. Recent advancements in low cost solar cell processing. Proceedings of the 11th Photovoltaic Specialists Conference. 1, 315 (1975).
  3. Faddoul, R., Reverdy-Bruas, N., Blayo, A. Formulation and screen printing of water based conductive flake silver pastes onto green ceramic tapes for electronic applications. Mater. Sci. Eng. B Solid-State Mater. Adv. Technol. 177 (13), 1053-1066 (2012).
  4. Rane, S. B., Seth, T., Phatak, G. J., Amalnerkar, D. P., Das, B. K. Influence of surfactants treatment on silver powder and its thick films. Mater. Lett. 57 (20), 3096-3100 (2003).
  5. Rane, S. B., et al. Firing and processing effects on microstructure of fritted silver thick film electrode materials for solar cells. Mater. Chem. Phys. 82 (1), 237-245 (2003).
  6. Faddoul, R., Reverdy-Bruas, N., Bourel, J. Silver content effect on rheological and electrical properties of silver pastes. J. Mater. Sci. Mater. Electron. 23 (7), 1415-1426 (2012).
  7. Szlufcik, J., Poortmans, J., Sivoththaman, S., Mertens, R. P. Advanced manufacturing concepts for crystalline silicon solar cells. IEEE Trans. Electron Devices. 46 (10), 1948-1969 (1999).
  8. Gomatam, R., Mittal, K. L. Electrically Conductive Adhesive. , CRC Press. (2008).
  9. Pospischil, M., et al. Investigations of thick-film-paste rheology for dispensing applications. Energy Procedia. 8, 449-454 (2011).
  10. Hoornstra, J., Weeber, A. W., De Moor, H. H., Sinke, W. C. The importance of paste rheology in improving fine line, thick film screen printing of front side metallization. Netherlands Energy Found. , (1997).
  11. Gilleo, K. Rheology and surface chemistry for screen printing. Screen Print. Mag. , 128-132 (1989).
  12. Lin, H. W., Chang, C. P., Hwu, W. H., Ger, M. D. The rheological behaviors of screen-printing pastes. J. Mater. Process. Technol. 197, 284-291 (2008).
  13. Shiyong, L., Ning, W., Wencai, X., Yong, L. Preparation and rheological behavior of lead free silver conducting paste. Mater. Chem. Phys. 111 (1), 20-23 (2008).
  14. Reichl, H., Feil, M. Hybridintegration: Technologie und Entwurf von Dickschichtschaltungen. Hüthig Verlag GmbH. , (1986).
  15. Thibert, S., et al. Study of the high throughput flexographic process for silicon solar cell metallisation. Prog. Photovoltaics Res. Appl. 24 (2), 240-252 (2016).
  16. Glunz, S. W., Mette, A., Richter, P. L., Filipovic, A., Willeke, G. New concepts for the front side metallization of silicon solar cells. 21st Eur. Photovolt. Sol. Energy Conf. , 4-7 (2006).
  17. Thibert, S., Jourdan, J., Bechevent, B., Chaussy, D., Reverdy-Bruas, N., Beneventi, D. Influence of silver paste rheology and screen parameters on the front side metallization of silicon solar cell. Mater. Sci. Semicond. Process. 27, 790-799 (2014).
  18. Pospischil, M., et al. Dispensing technology on the route to an industrial metallization process. Energy Procedia. 67, 138-146 (2015).
  19. Coussot, P. Rheometry of pastes, suspensions, and granular materials: Application in Industry and Environment. , Wiley-interscience. (2005).
  20. Coussot, P. Rheophysics of pastes: a review of microscopic modelling approaches. Soft Matter. 3 (5), 528 (2007).
  21. Zhou, H., Hong, J., Piao, L., Kim, S. -H. Dual rheological responses in Ag pastes. J. Appl. Polym. Sci. 129 (3), 1328-1333 (2013).
  22. Buscall, R., McGowan, J. I., Morton-Jones, A. J. The rheology of concentrated dispersions of weakly attracting colloidal particles with and without wall slip. J. Rheol. 37 (4), 621 (1993).
  23. Kalyon, D. M., Yaras, P., Aral, B., Yilmazer, U. Rheological behavior of a concentrated suspension: A solid rocket fuel simulant. J. Rheol. (N. Y. N. Y). 37 (1), 35-53 (1993).
  24. Yilmazer, U., Kalyon, D. M. Slip effects in capillary and parallel disk torsional flows of highly filled suspensions. J. Rheol. (N. Y. N. Y). 33 (8), 1197-1212 (1989).
  25. Aral, B. K., Kalyon, D. M. Effects of temperature and surface roughness on time-dependent development of wall slip in steady torsional flow of concentrated suspensions. J. Rheol. 38 (4), 957-972 (1994).
  26. Persello, J., Magnin, A., Chang, J., Piau, J. M., Cabane, B. Flow of colloidal aqueous silica dispersions. J. Rheol. (N. Y. N. Y). 38 (6), 1845-1870 (1994).
  27. Pignon, F., Magnin, A., Piau, J. M. Thixotropic colloidal suspensions and flow curves with minimum: Identification of flow regimes and rheometric consequences. J. Rheol. (N. Y. N. Y). 40 (4), 573-587 (1996).
  28. Meeker, S. P., Bonnecaze, R. T., Cloitre, M. Slip and flow in pastes of soft particles: Direct observation and rheology. J. Rheol. (N. Y. N. Y). 48 (6), 1295-1320 (2004).
  29. Seth, J. R., Cloitre, M., Bonnecaze, R. T. Influence of short-range forces on wall-slip in microgel pastes. J. Rheol. (N. Y. N. Y). 52 (5), 1241-1268 (2008).
  30. Seth, J. R., Locatelli-Champagne, C., Monti, F., Bonnecaze, R. T., Cloitre, M. How do soft particle glasses yield and flow near solid surfaces? Soft Matter. 8 (1), 140-148 (2012).
  31. Meeker, S. P., Bonnecaze, R. T., Cloitre, M. Slip and flow in soft particle pastes. Phys. Rev. Lett. 92 (19), 1-4 (2004).
  32. Xu, C., Fieß, M., Willenbacher, N. Impact of wall slip on screen printing of front-side silver pastes for silicon solar cells. IEEE Journal of Photovoltaics. 7, 129-135 (2017).
  33. Brummer, R. Rheology Essentials of Cosmetic and Food Emulsions. , Springer Berlin-Heidelberg. (2006).
  34. Macosko, C. W. Rheology Principles, Measurements, and Applications. , Wiley - VCH. New York. (1994).
  35. Dzuy, N. Q., Boger, D. V. Yield stress measurement for concentrated suspensions. J. Rheol. (N. Y. N. Y). 27 (4), 321-349 (1983).
  36. Da Cruz, F., Chevoir, F., Bonn, D., Coussot, P. Viscosity bifurcation in granular materials, foams, and emulsions. Phys. Rev. E. 66, 1-7 (2002).

Tags

Engineering rheologisk karakterisering stærkt koncentreret suspension sølvpasta videooptagelser væg slip shear banding plade ruhed forskydning forlængelse
Udfordringer i Rheologisk Karakterisering af stærkt koncentrerede Karantæner - et casestudie til silketryk Silver Indsætter
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Yüce, C., Willenbacher, N.… More

Yüce, C., Willenbacher, N. Challenges in Rheological Characterization of Highly Concentrated Suspensions — A Case Study for Screen-printing Silver Pastes. J. Vis. Exp. (122), e55377, doi:10.3791/55377 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter