Waiting
Login processing...

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

Engineering

Utfordringer i Reologi Karakterisering av høykonsentrerte utestengelse - A Case Study for silketrykk Silver Limer

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

Frontsiden metallisering av silisium solceller blir vanligvis realisert ved hjelp av tradisjonell silketrykk. Foruten sjablong utskrift, blekkskrivere og fleksofraftrykk 1, har skjerm-utskrift vært brukt siden 1970-tallet for mange utskriftsapplikasjoner 2. Det er et allsidig teknikk og i solcelleproduksjon, det sikrer enkel og hurtig metallisering ved en lav kostnad trykking. Imidlertid flyteegenskapene til silketrykking pastaer må reguleres nøye for å sikre uforstyrret, defekt fri behandling. Dette er spesielt utfordrende på solcellen metallise siden smale ensartede linjemønster må oppnås. Videre lim oppskrifter må reguleres nøye for å unngå sedimentering av den høye tetthet sølvpartikler, faseseparasjon og partikkelaggregering.

De sterkt konsentrerte ledende skjerm-trykkpastaer for front-side metallisering av solceller Mainly består av tre komponenter 3, 4, 5, 6: det ledende materiale, vanligvis mikronstørrelse sølvpartikler, ved å gi god elektrisk ledningsevne 7, 8; den kontinuerlige fase, den såkalte kjøretøy, en blanding av organiske bindemidler, løsningsmidler og tilsetningsstoffer som fremmer partikkel fukting, filmdannelse og adhesjon til substratet som også inneholder additiver for å regulere flyteegenskapene, særlig slik at pastaen til å passere de trange skjerm maskene Enkelt; og det uorganiske bindemiddel (glass pulver) virker som en adhesjonspromoter og aktiverer de sintringsprosessen ved lavere temperaturer.

Skrive fine linjer med et høyt aspektforhold krever sølvpasta som oppviser en høy flytespenning og en uttalt skjærtynningsadferd 9. Den høye flytespenningen garanterer god shape nøyaktighet og et høyt aspektforhold, mens sterk skjærfortynning og en tilsvarende lav viskositet ved høye skjærhastigheter er nødvendig når pastaen flyter gjennom trange maskeåpninger, hvor massen utsettes for høye skjærhastigheter anslått til å være over 10 3 S-1 10.

Under trykkeprosessen, blir pastaer utsatt for meget forskjellige deformasjon rater og påkjenninger. Først hviler lim på skjermen; deretter nalen handlinger og pastaen trenger gjennom silåpningene på substratet. Etter påføring av lim på silikonplaten, struktur og viskositet må komme seg raskt for å hindre lim spredning på substratet. Dette ville redusere solcelle forestillinger på grunn av høyere skyggeleggings tap 10, 11, 12, 13, 14, 15. Avbrudd, de såkalte meshmarks, i trykte finger linjer kan forekomme ved krysningspunktene av maskevaierne avhengig av lim reologi. Tiden for å utjevne de meshmarks bør være så lenge som nødvendig, men også kort nok til å holde fingeren linjen sprer så lavt som mulig 16.

Den nal trykk som er nødvendig for pastaen å strømme gjennom maskene på substratet må justeres omhyggelig til det høye utbytte spenning som er nødvendig for å gi god nøyaktighet form 3, 6, 9, 17, 18. Partikler er tett pakket, samhandle sterkt og danner komplekse strukturer. Følgelig, i tillegg til flytstyrke, skjærtynnings og tiksotropi, kan forskjellige andre komplekse strømningsfenomener som skjær striper eller avalanching forekomme i slike suspensjoner 19, 20 </ sup>, 21. Vegg slip er også viktig å konsentrerte suspensjoner 22, 23, 24, 25. Et tynt lag av væsken med lavere viskositet, dvs. et lag utarmet eller fri for partikler dannes ved siden av veggen 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 og kan kontrollere strømning gjennom smale åpninger eller kanaler.

Så en omfattende reologiske karakterisering av skjermutskrift pastaer er avgjørende for å forbedre bearbeidingsegenskaper og produktegenskaper. I denne studien, er to kommersielle sølv pastaer karakterisert. Disse pastaene har i alt vesentlig ulike trykke forestillinger. Den reologiske characterization av slike materialer er meget krevende. Selv enkel bestemmelse av den stabile skjærviskositet ved hjelp av en roterende rheometer er en stor utfordring på grunn av vegg slip, pluggstrømning, skjær banding og lim søl. I henhold til tidligere studier fokusert på oscillerende skjær målinger 10, 17, 21 eller på karakteriseringen av lavt konsentrerte sølvpasta, såkalt blekk 3, 6, 15, for hvilke de ovennevnte fenomen med lav sannsynlighet.

Protokoller for en robust og meningsfull karakterisering av flyteegenskapene til konsentrerte sølvpasta kan defineres ved hjelp av video-opptak. En roterende skjær reometer med et parallell-plate prøveholder er brukt i denne studien, hvilket klart viser at pluggstrømning, vegg slip, og skjær banding avhenge av platen grovsomhet i en ikke-triviell måte.

I tidligere arbeid, var tidsavhengig utvikling av veggen slip i jevn vridnings strøm av konsentrerte suspensjoner undersøkt med hensyn til forskjellige plate ruhet. Strømmen av høykonsentrerte suspensjoner av faste glasskuler i polymer-bindemiddel-løsning ble visualisert og en øket plate eller indre sylinder ruhet forhindret vegg slip. Imidlertid øker plate ruhet resulterte i brudd av prøvene 22, 25. Brudd fant sted ved mindre tilsynelatende skjærhastigheter når veggen ruhet ble økt. Tuppene av ujevnheter i den oppruede flater kan virke som spenningskonsentrasjonspunkter på plateoverflaten, starting av brudd på skjærspenninger x er mindre enn flytespenningen τ y 25.

Wall slip anses å være viktig for skjerm-utskrift ytelsen svært konsentrert pastaer. Fortiden e glir gjennom duken lettere ved høyere vegg slip og dens innskudd på substratet øker betydelig 32. Med hjelp av videoopptak, kan veggen slip observeres direkte for forskjellige eksperimentelle protokoller. Den slipphastighet kan bestemmes direkte fra vinkelhastigheten til den roterende platen ved hjelp av glatte plater med lav ruhet. Men strømningsoppførsel bestemmelse på sølvpasta er en iboende begrensning. Suspensjonene er ikke-transparent, kan så optisk strømningsfeltobservasjoner bare gjøres på prøven felgen. Tidligere studier har forsøkt å bestemme vegg slip og deformasjon innen prøvene samtidig. De observerte slip under flytespenningen og fant en kvadratisk avhengighet av slipphastighet på skjærspenningen. Flyteegenskapene av transparente leiresuspensjoner ble undersøkt ved Pignon 27 å følge deformasjonen av et fargestoff pigment linje sprøytes inn i bulkmaterialet. Persello et al.xref "> 26 har undersøkt konsentrerte vandige silikasuspensjoner. De fant at ved å øke plate ruhet for å undertrykke vegg slip ikke resulterer i en homogen prøve deformasjoner, men er provosert bulk brudd. Slip og prøven deformasjon i pastaer myke mikrogel-partikler og konsentrerte emulsjoner har vært intenst omtalt i en rekke artikler, 28, 29, 30, 31. fluoriserende spor partiklene ble brukt for å bestemme strømningsfeltet innenfor disse transparente prøver i en kjegle-plate-geometri. de fant en karakteristisk slipphastighet V * ved flytespenningen til de respektive materiale og en strøm lov til økningen av slipphastighet med skjærspenning τ under τ y. en eksponent for en ble funnet for ikke-klebende partikler og to i tilfellet av svak tiltrekning mellom partiklene og vegg.

I studien presenterte hennee utviklingen av deformasjonen og flyte under kontrollert spenning og kontrollerte skjærhastighet betingelser overvåkes. I motsetning til resultatene som er rapportert i Referanse 25, øker plate ruhet ikke resulterer i brudd for begge undersøkte pastaer. Dessuten kan veggen slip og pluggstrøm ikke bli undertrykket bare ved å øke plate ruhet. Disse fenomener synes å være styrt av forholdet mellom partikkelstørrelsen og plate ruhet. Eksempelutslipp setter inn ved en karakteristisk rotasjonshastighet sannsynligvis bestemt av balansen mellom sentrifugalkreftene som virker på friksjon og ved reometeret plate. Imidlertid kan det skjærhastighetsområdet hvor viskositeten bestemmelse er mulig skal bestemmes, og samtidig vegg slip kan kvantifiseres. Videre er en kapillær-reometer benyttet for å bestemme viskositeten ved høyere skjærhastigheter som er relevante for trykkeprosessen.

Til tross for vanskelighetene med jevn skjær rheometri, veldefinert oscillerende skjærdeformasjon cen implementeres enkelt. En tre-trinns svingning test (konstant frekvens, forskjellige svingeamplituder) simulerer skjerm-trykkeprosess 10 den og gir mulighet for å studere strukturell gjenoppretting av pastaen:

I den første "pre-print" trinn fremstilles en liten deformasjon anvendt for å bestemme de elastiske og viskøse egenskaper i ro. Den andre "print" trinn simulerer bladet belegget og pastaen som passerer skjermen mesh ved å påføre en tilstrekkelig høy amplitude deformasjon bryte pastaen struktur. I den endelige "post-print" trinn fremstilles en liten deformasjon anvendt for å detektere strukturelle gjenoppretting av pastaen. Den opprinnelige modulus verdien skal nås raskt for å unngå lim spredning, men ikke for fort for å unngå meshmarks. Undersøkelsene som presenteres her bekrefte at den strukturelle utvinning er ufullstendig som tidligere rapportert av Zhou 21. Zhou kunne vise at den strukturforandring bevirkesved å bryte av fyll klynger av fyllstoff-matriks utkobling ved hjelp av sølvpartikler som er suspendert i etylcellulose løsning. Video-opptak i denne studien viser at den observerte irreversible strukturendring er ikke en gjenstand knyttet til forekomst av veggen slip, skjær banding, pluggstrømning eller prøve søl. I tillegg er det funnet at graden av strukturell nedbrytning avhenger sterkt av deformasjon amplituden anvendt i trinn to, men neppe er avhengig av tidsintervallet for den påtrykte belastning. Dette aspektet ble ikke oppfattet i eksperimenter av Zhou. Innvirkningen av pastasammensetningen på strukturell nedbrytning og gjenvinning vil bli diskutert i et senere papir.

Til slutt blir en fremgangsmåte for å simulere pastaen oppførsel under skjermen snap-off presentert. Et kapillar-reometer bruddet forlengelsesviskositet og en kommersiell strekkprøver brukes for å bestemme strekkforhold ved hvilket pastaene som bryter og den maksimale aksiale kraft under strekking som en funksjonforlengelse hastighet.

Videoopptak har vist seg å være uunnværlig for å finne de riktige måleprotokoller som er nødvendig for en meningsfull karakterisering av reologisk sølvpasta ved hjelp av parallell-plate rotasjons rheometri. Videodata muliggjorde bestemmelse av skjærhastigheten og skjærspenningsregimene der fysisk godt definerte flytespenning og viskositetsverdiene ikke kunne fastslås. Riktig valg av platen ruhet og plateavstand parametere ble også basert på disse videobildene. Eksperimentelle innstillinger for hvilke vegg slip, ren pluggstrøm, skjær striper eller prøve søl oppstår kan utvetydig identifiseres. Pastaene undersøkt her er brukt til forsiden metallisering av solceller. Men en forsiktig video understøttet reologiske karakterisering er også viktig for forskjellige andre typer av konsentrerte suspensjoner, inkludert høy tetthet, mikronstørrelse-partikler.

Protocol

Forsiktig: Sjå alle relevante sikkerhetsdatablad (MSDS) før bruk. Flere av de komponenter som anvendes for den sølvpasta formuleringen er akutt giftige, kreftfremkallende og vannforurensende stoffer. Vennligst bruk alle nødvendige sikkerhetsrutiner ved håndtering med sølv pastaer (personlig verneutstyr - vernebriller, hansker, lab frakk, full lengde bukser, lukket-toe sko). Arbeider også med rheometer krever nøye fungere. Beskytte hendene fra å bli fanget i løpet av de geometriske beveger seg til måleposisjon.

1. Rotasjonsskjær Målinger - målerapport

  1. Tilsynelatende viskositet bestemmelse - skjærhastighet styres målinger
    1. Utføre roterende skjærforsøk ved anvendelse av reometer A med parallell-plategeometri (plate ruhet R q = 2 - 4 pm, plate diameter d = 25 mm). Den nødvendige pastavolumet er 0,49 ml.
      1. Justermåling av innstillinger for bestemmelse viskositet. Utføre målinger på en trinnvis kontrollert skjærrate modus ligningen = 0,01 s -1 - 1000 s -1 i 40 trinn. Responstiden er 1200 s.
      2. Plasser utstyr for registrering av måle gap i posisjoner: kamerastativ med vedlagte endoskopisk kamera, LED spotlight, og den eksterne datamaskinen til å lagre opptakene. Juster endoskopiske kamerainnstillinger, for eksempel kontrast og lysstyrke av eksponeringen feltet.
      3. Like før på- reometeret gapet, blande prøven i reservoaret, slik at pastaen blir blandet homogent.
      4. Fyll opp reometeret gapet med blandede sølvpasta prøven.
        NB: For et målespaltehøyden h slutt = 1 mm, først går til et gap stilling h 1 = 1,05 mm for å fjerne overskytende prøve fra kanten av reometeret geometri. etter clearing opp den overskytende prøve, endrer selve spaltehøyden stilling fra h 1 h til slutt.
      5. For å visualisere pastaen strømning i målespalten, merk pastaen med sotpartikler i en vertikal linje.
      6. Før målingen, vente omtrent 5 min til normalkrefter i spalten har avtatt.
      7. Starte målingen. Start måleinstrument og videoopptak på samme tid til å følge pastaen i gapet og å relatere måleinnstillinger, rheometri resultater og videoopptak riktig.
      8. Gjenta målingen trinn 1.1.1.3 - 1.1.1.7 minst tre ganger.
      9. Plott den tilsynelatende viskositet η app kontra tilsynelatende skjærhastighet ligningen app logaritmisk. Evaluere videoopptak for å kontrollere den del av dominerende vegg slip, den delen av pastaen deformasjon, og den delen av prøve søl. Parameterinnstillinger for hvilken en ensartet shøre profilen er dannet kan oppdages lett basert på video-opptak (figur 1).
        MERK: skjærspenning ved kanten av platen er beregnet ut fra den registrerte momentet påført av reometeret og den tilsynelatende skjærhastighet ved kanten av platen ved stabil tilstand. Den tilsynelatende skjærhastighet er henvist til vinkelhastigheten til platen og til spaltehøyden h ved den maksimale platen radius.
  2. Flytegrense bestemmelse - en sammenligning av skjær målinger med annen plate, ruhet og vingegeometri spenningsstyrt
    1. Utbytte spenningsmåling med en plate ruhet på Rq = 1,15 um.
      1. For målinger med Rq = 1,15 um, bruk reometer B med en platediameter på D = 20 mm. Den nødvendige pastavolumet er 0,31 ml.
      2. Tilpasse måle innstillingene for flytespenning måling. Utføre målinger på en trinnvis kontrollert skjærspenning mode. Variere skjærspenningen mellom 1 Pa til 3000 Pa i 35 trinn med en total måletid på 1,050 sek.
      3. Montere et kamera stativ med vedlagte endoskopisk kamera, en LED spotlight, og den eksterne datamaskinen med programvare for å lagre videoopptak. Juster endoskopiske kamerainnstillinger, for eksempel kontrast og lysstyrke av eksponeringen feltet.
      4. Før fylle målegapet med sølvpasta, blande prøven i reservoaret for å sikre at det blir homogent blandet. Bruke en hurtigblander (30 s ved 1000 rpm). Etter blanding, fylle opp gapet med lim.
      5. Ta en liten mengde av den blandede pasta, gjelder det til bunnplaten av den parallelle plate reometer og bringe den øvre plate til en måleposisjon.
        NB: For en måling med spaltehøyden h slutt = 1 mm, først gå til gapet stilling h 1 = 1,05 mm, og fjerne den overskytende prøve fra kanten av reometeret geometri. Etter å rydde opp i overkant sampel endre selve spaltehøyden stilling fra h 1 h til slutt.
      6. Markere pastaen i målespalten med sotpartikler i en vertikal linje. Dette muliggjør visualisering av pastaen deformasjon og strømning i spalten, så vel som veggen slip.
      7. Før målingen, vente omtrent 5 min før den normale kraft på den øvre plate er forsvunnet.
      8. Start målingen nå. Start måleinstrument og videoopptak på samme tid til å følge pastaen i gapet og å tilskrive de riktige måleinnstillingene til videoopptak.
      9. Fortsett målingen inntil pastaen er sølt ut av gapet.
      10. Gjenta målingen totalt for tre ganger. For hver måling, rengjøre målegapet med etanol og gjenta trinn 1.2.1.4 - 1.2.1.9.
      11. Når målingen er fullført, plotte deformasjonen γ mot skjærspenning τ logaritmisk og bestemme flytespenningen av mediet ved hjelp av tangent skjæringspunktet metode 33.
    2. Utbytte spenningsmåling på en plate av ruhet R q = 2 - 4 um.
      1. For målinger med R q = 2 - 4 pm, bruk reometer A med en platediameter på D = 25 mm. Den nødvendige pastavolumet er 0,49 ml.
      2. Gjenta trinnene 1.2.1.2 - 1.2.1.11 for flytespenningsmålinger med en plate ruhet R q = 2 - 4 um.
    3. Utbytte spenningsmåling på en plate ruhet på Rq = 9 um.
      1. For målinger med Rq = 9 mikron bruk reometer B med en platediameter på d = 20 mm og som kreves pasta volum 0,31 ml. Bruk dobbeltsidig tape for å feste deler av sandpapir til platene som samsvarer med deres diameter.
      2. Gjenta trinnene 1.2.1.2 - 1.2.1.11 for flytegrensen måling med en plate ruhet Rq = 9 um.
    4. Yield stress målingene med vingegeometri.
      1. For flytespenningen målinger med vingegeometri, bruk rheometer C.
      2. Tilpasse måle innstillingene for flytespenning måling. Utføre målingene på en trinnvis kontrollert skjærspenning-modus som parallelle plate målinger i 1.2.1, 1.2.2 og 1.2.3. Parameterverdiene er τ = 1 - 3000 Pa i 35 trinn og en total måletid på 1,050 sek.
      3. Før fylling av den sylindriske målebegeret med prøven Bland prøven i reservoaret for å sikre at prøven er blandet homogent. Etter blanding fylle opp det sylindriske målebeger med 10 ml sølvpasta.
      4. Beveg finnen geometrien til måleposisjon og vente 5 min.
      5. Start målingen nå.
      6. For pålitelige resultater, gjenta målingen minst tre ganger.
      7. Når målingen er fullført, plotter deformasjon γ versus skjærspenning τ logaritmisk og bestemme flytespenningen ved hjelptangenten skjæringspunktet metode som beskrevet ovenfor.
  3. Wall slip observasjon
    1. Utføre vegg slippmålinger med en plate ruhet Rq = 1,15 um ved anvendelse av reometer B med en plate diameter d = 20 mm.
      1. Tilpasse måleinnstillingene for veggen slip besluttsomhet. Utføre målinger i kontrollerte skjærspenning-modus for utvalgte skjærspenninger mellom 400 Pa og 1300 Pa og en måletid på 300 s totalt.
      2. Plasser utstyr for opptak av måle gap i posisjoner: kamerastativ med vedlagte endoskopisk kamera, LED spotlight og den eksterne datamaskinen til å lagre opptakene. Juster endoskopiske kamerainnstillinger, for eksempel kontrast og lysstyrke av eksponeringen feltet.
      3. Før fylle målegapet med sølvpasta, blande prøven i reservoaret for å sikre at det blir homogent blandet.
      4. Fyll opp reometeret gapet med blandede sølvpasta prøve.
      5. Markere pastaen i målespalten med sotpartikler i en vertikal linje for strømningsoppførsel observasjon.
      6. Før målingen vente ca 5 minutter inntil de normale krefter i gapet har avtatt.
      7. Starte målingen. Start måleinstrument og videoopptak på samme tid til å følge pastaen i gapet og å relatere måleinnstillinger, rheometri resultater og videoopptak riktig.
      8. Gjenta trinnene 1.3.1.3 - 1.3.1.7 tre ganger for hver valgt skjærspenning.
      9. Plott veggen slipphastighet v slip mot skjærspenning τ for å vise vegg slip oppførselen (figur 9).
  4. Eksempel undersøkelse rester under rotasjonsskjær målingen
    1. Gjennomføre prøven søl undersøkelse med reometer A (platediameter d = 25 mm og som kreves pasta volum 0,49 ml).
      1. For å bestemme avhengigheten av utbruddet av prøven søl på spaltehøyde hrun trinn 1.1.1.1 - 1.1.1.8 ved forskjellige spaltehøyder.
        MERK: For en måling med
        h end = 0,2 mm først går til spalten stilling h 1 = 0,21 mm og fjerne overskytende prøve
        fra kanten av reometeret geometri
        h end = 0,5 mm → h 1 = 0,51 mm
        h end = 1,0 mm → h 1 = 1,05 mm
        h end = 1,5 mm → h 1 = 1,55 mm
        h end = 2,0 mm → h 1 = 2,05 mm
      2. Foreliggende resultater som en plotting av den tilsynelatende viskositet η app kontra tilsynelatende skjærhastighet ligningen app for forskjellige høyder gap (figur 10). Bestem kink på denne kurve, og det tilsvarende kritiske rotasjonshastigheten n crit og plotte denne vs. spaltehøyden h (figur 11).
  5. Reologiske karakterisering ent høye skjærhastigheter utført med kapillar-reometer
    1. Utføre kapillarreometerforsøket målinger ved hjelp av et munnstykke med sirkulært tverrsnitt. Bruke et munnstykke med diameter d = 0,5 mm og lengde L = 40 mm her. Diameteren av tilførselsreservoaret er d mate = 20 mm.
      1. Juster måleinnstillinger (stempel hastighet mellom 0,001 mm S-1 og 20 mm s-1). Utføre målinger på en trinnvis kontrollert skjærrate, 5 s for hvert målepunkt.
      2. Bland prøven for å sikre at pastaen blandes homogent og fylle opp foringsreservoaret med 78,5 ml sølvpasta.
      3. Bringe stemplet i målestilling og starte målingen.
      4. Beregn skjærspenningen fra trykkforskjellen mellom prøvekammeret og kapillær utløp. Bestemme trykkfallet ved hjelp av en 500 bars trykk transduser. Ta opp i minst 5 trykkverdier for hver valgt stempelfarten.
      5. Fortsett målingen til mate reservoir er tom.
      6. Gjenta målingen (trinn 1.5.1.2 - 1.5.1.5) tre ganger.
      7. Beregn den tilsynelatende skjærhastigheten fra den volumetriske strømningshastighet ved hjelp av stempelfarten og diameteren av for-reservoaret og utføre den Weissenberg-Rabinowitsch korreksjon. Beregn veggskjærspenning τ w fra den målte trykkdifferansen 34. Den tilsynelatende viskositet er da gitt som η app = τ w / ligningen app. Endelig plotte den tilsynelatende viskositet i forhold til skjærhastighet for å fullføre den reologiske karakteriseringen ved høye skjærhastigheter (Figur 12).

2. oscillatory Skjær Målinger

  1. amplitude sweep
    1. Utføre amplitude sveipe målinger med reometer A ved hjelp av en platediameter på d = 25 mm og en ruhet R q = 2 - 4 um. den required pastavolumet er 0,49 ml.
      1. Tilpasse måle innstillingene for amplitude sweep måling. Utføre målinger ved kontrollert deformasjon amplitude ligningen = 0,01 til 100% og en konstant frekvens på f = 1 Hz i 35 trinn.
      2. Gjenta trinn 1.2.1.3 - 1.2.1.8 for å fullføre amplitude feie tre ganger. Rens målegapet med etanol før hver måling.
      3. Plott moduler G' og G '' sammenlignet med deformasjonen amplitude ligningen logaritmisk (figur 13). Deformasjonen amplitudeområde hvor G'> G '' og begge moduli løpe parallelt uavhengig av deformasjonen amplitude ligningen Er den lineære viskoelastiske regimet (LVE). For strukturelle gjenopprettings tester plukke en deformering amplitude fra dette området for trinn I og trinn III . For trinn II i det etterfølgende tretrinns strukturelle gjenvinningstest velge deformasjonen amplitude 10% høyere enn ligningen kryss hvor G'= G '' for å sikre en strukturell bryte ned mellom de strukturelle gjenopprettings testene.
  2. Tretrinns strukturelle gjenvinningstest
    1. Utføre strukturelle gjenopprettings tester med rheometer A utstyrt ved å bruke en plate med diameter d = 25 mm og ruhet R q = 2 - 4 um. Bruk innstillingene bestemt i amplitude sveipe eksperimenter (2,1). Den nødvendige pastavolumet er 0,49 ml.
      1. Utføre tre-trinns oscillasjon test med forskjellige svingeamplituder ved konstant frekvens (f = 1 Hz).
        MERK:
        Trinn I: Liten svingningsamplitude i LVE påføres i en periode på 300 s for å oppnå skjærmoduler og initielle tilstanden. For lime Bfiler / ftp_upload / 55377 / 55377eq2.jpg"/> I = 0,025%.
        Trinn II: Den store tøyningsamplitude ( ligningen II = 80%) bestemt i trinn 2.1 blir påført i den oscillerende skjærmodus for t II = 50 s, 150 s eller 600 s for tidsavhengigheten undersøkelser. For deformering avhengighet undersøkelser strekk amplituder mellom ligningen II = 0,025% og ligningen II = 100% er brukt hver for konstant tid (t II = 150 s).
        Trinn III: Den samme liten svingningsamplitude som i fase I anvendes for 1200 s for å følge utvinning over en lengre tidsperiode.
      2. Gjenta trinn 1.2.1.3 - 1.2.1.8 for å fullføre tre trinns pendling tester tre ganger. Rengjør måle gap med etanol før hver måling.
      3. Plott moduler G' og G '' som funksjon av tiden i en semi-log plott (se figur 14 og figur 15 (a)).

3. Stretching Behavior Fastsettelse - en Snap-off Simulering

  1. Stretching atferd målinger med kapillar-reometer bruddet forlengelsesviskositet
    1. Utføre strekking eksperimenter med kapillar-reometer bruddet forlengelsesviskositet. Bruk to sylindriske stempler med en diameter på d = 6 mm. Strekk pastaer med varierende hastigheter fra den første spaltehøyden h = 1 mm inntil de filamentbrudd.
      MERK: Vær oppmerksom på at dette ikke er en typisk filament tynning eksperiment kontrollert av overflatespenning. Denne testen kan også gjøres med en sikt mesh festet med emulsjonssiden på det øvre stempel, og en wafer substrat på bunnen. denne way trykkeprosessen ved metallisering av mono- og multikrystallinsk industrielt forbehandlet Si-skive er etterlignet.
      1. Tilpasse måleinnstillingene for å strekke eksperimenter. Variere strekkehastigheter (f.eks: 7,5 mm s -1, 11 mm s -1 og 110 mm S-1) for å vise endringen i filamentet deformasjon og brudd oppførsel.
      2. Slå på høy hastighet kamera for å ta endringen i filament form. Sett bildefrekvensen til minimum 250 fps og slå på bakgrunnslyset for å spore filamentet deformasjon. Også justere den høye hastigheten kamerainnstillingene, spesielt bildeskarpheten, kontrasten og lysstyrken til eksponering feltet.
      3. Før fylle målegapet med sølvpasta, blande prøven i reservoaret for å sikre at massen er homogent blandet. Etter blanding, fylle opp målegapet med lim.
      4. Ta en liten mengde (28,3 ul) av det blandede pastaen for å anvende den på den nederste stempel. Ta upper stemplet til måleposisjon (som måler spaltehøyde h = 1 mm) og rydde opp i overskudd prøve fra kanten av geometrien.
      5. Start måleanordning og opptak av filamentet deformasjon på samme tid.
      6. Gjenta målingen tre ganger. For hver måling, rengjøre målegapet med etanol og gjenta trinn 3.1.1.3 - 3.1.1.5.
      7. Velge den første bilde som viser filamentbrudd for å evaluere stempelstillingen x pause på hvilken filamentbrudd. Beregning av det kritiske strekkforholdet (x br - x 0) / x 0 = Ax br / x 0. Bestemme dette antall for forskjellige strekkhastigheter (Figur 16).
  2. Strekkraften måling med strekktester
    1. For strekktester eksperimentene bruke et stempel med en diameter på d = 5 mm. Spill den resulterende tiSile kraft under strekking.
      1. Tilpasse måleinnstillingene for å strekke eksperimenter. Variere strekkehastigheter, f.eks v = 10 mm S-1, 20 mm s -1, 30 mm S-1, og 40 mm S-1 og måle endringen i strekkraften med en 50 N belastningscelle. Sette utgangsspaltehøyden h til h = 1 mm og endestillingen til h end = 12 mm.
      2. Før fylle målegapet med sølvpasta, blande prøven i reservoaret for å sikre at massen er homogent blandet.
      3. Påfør lim til bunnplaten av den strekktester. Bringe den øvre platen til måleposisjon og rydde opp i overskudd prøve fra kanten av geometrien.
      4. Start måleanordning og opptak av filamentet forlengelse på samme tid.
      5. Gjenta målingen tre ganger. For hver måling rengjøre målegapet og gjenta trinn 3.2.1.2 - 3.2.1.4.
      6. Fra F vs. [6; x data den maksimale kraft F max detekteres under forlengelse og strekkforholdet ved brudd Ax br / x 0 er oppnådd som vist på figur 17 (a). Plot ax br / x 0 vs. de forskjellige strekkhastighetene (Figur 17 (a)). Plot Fmax vs. strekker hastigheten (Figur 17 (b)).

Representative Results

Viskositeten er en viktig parameter i fluidbehandlings og for flerfasefluider sin avhengighet av skjærhastigheten blir ofte bestemt ved anvendelse av parallelle platerotasjons rheometri. For høykonsentrerte suspensjoner dette er heller ikke en rett frem og heller ikke en triviell oppgave og definisjonen av en passende måleprotokollen kan være utfordrende. Her er det vist hvordan høykonsentrerte sølvpasta kan reologisk karakteriseres kombinere rotasjons rheometri og video-opptak. En robust eksperimentelle protokoll for bestemmelse av den stabile skjærviskositet er etablert og den tilgjengelige skjærhastighetsområdet blir bestemt. Figur 1 viser en oversikt over tilsynelatende viskositet og tilsynelatende skjærspenning kontra tilsynelatende skjærhastighet anvendes for pastaen B. Målingen utføres med en plate av ruhet R q = 2 - 4 um. Utskjæringer fra videoopptak muliggjøre delingen av den oppnådde strøm-kurven i treseksjoner. I snitt en vegg slip dominerer. Den øvre plate glir uten lim deformasjon. I denne delen skjærspenningen er konstant. Lim deformasjon setter inn ved ligningen min, app = 0,07 s -1 markerer begynnelsen av seksjonen to. Samtidig skjærspenningen begynner å øke. Deformasjonen av pastaen og stress øker monotont til seksjon tre er nådd. Ved en kritisk skjærhastighet eller vinkelhastighet pastaen kryper ut av spalten og samtidig tilsynelatende viskositet og skjærspenning slipp sterkt på grunn av prøven utslippet. Følgelig er viskositet og skjærspenning kurver viser en karakteristisk knekk som oppstår ved ca.
ligningen max, app = 2,5 sek -1. Dette ligningen max, markerer app utbruddet avPrøven søl. Jo høyere skjærhastighet jo hurtigere pastaen mates ut. Viskositeten av pastaen er tilgjengelig kun i skjærhastighetsområde hos ligningen min, app < ligningen app < ligningen max, app. Imidlertid, idet deformasjonen inne i gapet ikke er kjent og a priori må ikke være den samme som iakttatt på felgen vil viskositeten data selv i det nominell skjærhastighet området må bli behandlet som de tilsynelatende verdier. Skjærspenningen τ app på kanten av tallerkenen og Rmax er beregnet ut fra det påførte dreiemomentet T på følgende måte
τ app = T (2π r max 3) -1 [3 + d (ln t) / d (ln ligningen app)]. Den tilsynelatende skjærhastighet ligningenapp på kanten av platen er beregnet ut fra den vinkelhastighet Ω av platen og spaltehøyden h ifølge ligningen app = Ω (Rmaks / h) 34. Ettersom den egentlige deformasjoner og spenninger inne i gapet ikke er kjent for de beregnede spenninger og skjærrateverdier må behandles som tilsynelatende eller nominelle verdier.

I mykt materiale ofte en kritisk spenning, den såkalte tilsynelatende flytespenning τ y, app, er funnet ved hvilken en overgang fra en elastisk reversibel deformasjon til irreversibel strømning er observert. Dette flytespenningen er en nøkkelfaktor i pastaformulering av klassisk silketrykk, så vel som nye additiv produksjonsteknikker. En høy flytespenning er ønskelig for å sikre nøyaktighet form etter trykking. Generelt er flytespenningenbestemmes ut fra knekksted på deformasjonen mot skjærspenningskurven ved hjelp av tangenten skjæringsmetode som som eksempel er vist i figur 2. Ofte skjer dette ved hjelp av en såkalt vingegeometri som sikrer pålitelige og betydelige resultater uten virkningen av kile 35, 36. Måling av flytespenningen med den parallell-plategeometri er et annet alternativ som må være nøye validert. Vegg slip eller skjærbånd fenomen som ofte observeres i høyt fyllstoffsuspensjoner kan interferere med flytespenning evaluering. Derfor er effekten av plate ruhet på τ y, er app besluttsomhet undersøkt. Resultater for flytstyrke verdiene oppnådd for lim A og B i spenningssveip eksperimenter ved annen plate ruhet er vist i figur 3. Økning av platen grovheten fører til en økning i beregnet flytspenning, mens variasjonen i spaltehøyden h ikke påvirker Determination av denne mengden. Figur 4 viser utskjæringer i video tatt for pasta A ved en plate ruhet på Rq = 1,15 um og en spaltehøyde h = 1 mM. Sotpartikler ble plassert på prøven felgen som en markør og endoskopisk videobilder ble anvendt for å karakterisere deformasjon ved prøven felgen. Pastaen glir på bunnplaten ved spenninger opp til t-app = 600 Pa, mens den holder seg til den øvre plate. En pluggstrøm blir dannet i målespalten, dvs. at prøven ikke er deformert, og bestemmelse av en flytespenning eller viskositet er meningsløs selv om en knekk i den tilsvarende tilsynelatende deformasjon mot skjærspenningskurven synes å innebære en overgang fra elastisk deformasjon til viskøs strømning. Lignende oppførsel oppnås for andre spaltehøyder for rulling av A, så vel som lime B. Så en plate ruhet på Rq = 1,15 um er ikke egnet for bestemmelse av flytespenningen eller viscosity av slike sterkt fylte sølvpasta. I motsetning til dette, for en plate ruhet R q = 2 - 4 um (som angitt av produsenten) videobilder bekrefter dannelsen av en skjærdeformering profil på felgen (figur 5) som er nødvendig for en pålitelig og veldefinert reologisk måling. Unngås pluggstrøm og for pasta En jevn strømning setter inn ved τ app = 1360 Pa. Lignende flyteegenskaper ble observert for pastaen B. Så dette valget av platen ruhet muliggjør en pålitelig flytespenning måling. Å velge en høyere plate ruhet Rq = 9 um resulterer i høyere utbytte enn spenningsverdiene oppnådd for platen ruhet Rq = 1,15 um og R q = 2 - 4 um. Denne effekt er mye mer uttalt for pasta A enn for pasta B. video-opptak viser at ingen skjærprofilen er utformet med lim A i løpet av denne målingen (figur 6). På en stress τ app = 1880 Pa den øvre plate begynner å bevege seg uten lim deformasjon. En belastning av τ app = 2605 Pa bevirker gliding av lim på bunnplaten fortsatt uten lim deformasjon. Den kritiske spenning som svarer til knekken i den deformering sammenlignet med spenningskurven ikke markerer overgangen fra elastisk til viskøs deformasjon, det vil si det er ikke den tilsynelatende flytespenning. I stedet markerer starten på slip og plugg flyt og må betraktes som kritisk slip stresset τ slip. I motsetning til dette ble ingen pluggstrøm observert for pasta B ved å bruke R q = 9 um platen (figur 7). Deformasjonen av den begynner massen ved τ app = 1,430 Pa og er fullt utviklet ved τ app = 1,597 Pa. Ved høyere skjærspenning (τ app = 1880 Pa) skjær banding inntreffer, det vil si bare et mellomliggende smalt lag av prøven skjæres. Flytespenningen fås fra deformasjonen vs. spenningsdata med R q = 2 - 4 pm i tilfelle av lim B, men det er meningsløst å bruke denne grov plate for τ y, app bestemmelse av pastaen A. Til dobbelt kontrollere parallell-plate Rq = 2 - 4 pm resultater, flytespenning ble også målt med vingegeometri. Denne geometrien er i seg selv ikke påvirket av veggkilevirkninger og den begynnende hurtig vinge rotasjon ved en viss påtrykt spenning er utvetydig sammenheng med den strukturelle sammenbrudd i pastaen i det sylindriske planet definert av diameteren av finnen 35, 36. Figur 8 viser at de resultater som oppnås ved hjelp av vingegeometri enig meget godt med de som ble oppnådd fra parallell-plate rheometri med R q = 2 - 4 um. Basert på resultatene presentert ovenfor, ble alle ytterligere eksperimenter utført ved anvendelse av en plate med ruhet R q = 2 - & #160; 4 um med unntak av veggen slipphastighetsmålinger. Platene med ruhet Rq = 1,15 um og Rq = 9 um ikke kan anbefales for flytespenning og viskositet bestemmelse av sølvpasta eller andre høyt fyllstoffsuspensjoner som er lignende til dem undersøkt her. Endelig er det angitt at flytespenningen til pasta A er høyere enn den for lim B.

Wall slip er en annen viktig parameter for vellykket utskrift. Jo høyere veggen slip, jo bedre pastaen strømmer gjennom skjermen maskeåpninger 32. Veggen slipphastighet, dvs. den relative hastighet av den bevegelige plate og det tilstøtende lag av pasta, kan beregnes direkte fra videoopptak uavhengig av pluggstrømning eller skjærdeformasjon som hersker i gapet. En jevn øvre plate og en grov bunnplaten ha som skal benyttes ved utførelse av disse eksperimentene 25 27, 28, 30. Dersom prøven inne i gapet er i ro, blir slipphastighet direkte gitt av hastigheten av den øvre plate. Figur 9 viser veggen slipphastighet mot skjærspenning som bestemt i henhold til denne sistnevnte betingelser ved å bruke en plate med Rq = 1,15 um. Slip tydelig opptrer ved belastninger langt under flytegrensen lignende som observeres for konsentrerte emulsjoner og pastaer myke mikrogel-partikler 28, 29, 30. For lim A, er større veggslepehastigheter oppnås enn for pasta B uavhengig av påført spenning. I begge tilfeller slipphastigheten øker lineært med påtrykt spenning. Imidlertid er den oppnådde skråning m A = 0,33 pm (Pa.s) -1 for pasta A er nesten tre ganger høyere enn den helling m B = 0,12 μm (Pa.s) -1 oppnådd for pastaen B. Lignende som observert tidligere 28, 29, 30, en karakteristisk slipphastighet V * på omtrent et spenningsnivå som svarer til flytespenningen er funnet og over τ y slip er neppe målbar. For lim A og B, V A * = 0,37 mm S-1 og V B * = 0,11 mm s -1, henholdsvis.

Prøven spillover er knyttet til sterk sentrifugalkraften som virker på den med høy densitet mikronstørrelse-partikler og bør derfor være styrt av den vinkel- eller rotasjonshastigheten n crit ved hvilken sentrifugalkraften dominerer over viskøs friksjon. For å teste dette ble målespaltehøyden h økes fra 0,2 mm til 2 mm. Intensiteten av prøven smitte øker med spaltehøyden h og skjærhastighet. Jo større spaltehøyden de tidligere prøvesett utslippsi, det vil si ligningen crit er lavere (figur 10). Figur 11 viser at prøven utslipp setter inn ved en kritisk vinkelhastighet n crit uavhengig av prøven høyde h mellom 0,5 mm og 2 mm. For pasta A, er den kritiske rotasjonshastigheten n crit, A ≈ 0,6 min-1 og for pasta B er det n crit, B ≈ 1,7 min-1. Det funn n crit, A <n crit, B kan være på grunn av forskjellig viskositet eller kjøretøy på grunn av varierende sølvpartikkelstørrelse. Men begge pastaer oppviser mye høyere n Crit verdier for en målespaltehøyde h = 0,2 mm. Således avtagende spaltehøyden gjør det mulig for et bredere skjærhastighet område hvor viskositeten bestemmelse er mulig. Grunnen til den høye n Crit verdier funnet for h = 0,2 mm, er ennå ikke klart. Dette kan skyldes en sterkere bidrag på overflaten tisjon ved prøven felgen eller på grunn av dannelsen av aggregater tetter den smale gapet. Videre undersøkelser er nødvendig for å avklare det. Figur 10 bekrefter videre at etter ligningen app = 0,07 s -1 - 2,5 s -1 den tilsynelatende viskositet data oppnådd ved forskjellige spaltehøyder ikke varierer systematisk, er altså vegg slip ubetydelig under disse forsøksbetingelsene. Varierende skjærhastigheten fra høy til lav eller fra lave til høye verdier gir samme viskositetsdata så lenge n crit ikke overskrides, dvs. ingen utslipp finner sted, dvs. det er ikke noe bevis for irreversibel strukturelle endringer i prøven.

Et kapillarreometer brukes til å bestemme pastaens viskositet, spesielt ved prosessorienterte høye skjærhastigheter. Den Weissenberg-Rabinowitsch korreksjon for ikke-parabolsk hastighetsprofil is gjort her for å få den sanne skjærhastigheten i tilfelle av ikke-Newtonske væsker 34. Inngangen trykktapet er ubetydelig på grunn av den høye L / D-forhold >> 1, men forekomsten av veggen slip er ikke undersøkt i dette tilfelle og derfor data som må behandles som tilsynelatende viskositet verdier. Figur 12 viser den tilsynelatende viskositet for både pastaer A og B bestemmes med parallelle platerotasjons rheometri og kapillær rheometri. Bemerkelsesverdig data oppnådd fra begge forsøksteknikker synes å være enig meget godt for begge pastaer som tyder på at veggen slip er av mindre betydning i de kapillære rheometri målingene som utføres her. Til slutt, lim A og B viser lignende tilsynelatende viskositet ved lave skjærhastigheter, men viskositeten av pastaen A er høyere enn den til pasta B i høyskjær-regimet.

Steady skjær målinger ved hjelp av parallelle platerotasjons rheometers må være utføMed omhyggelig og kan bli forstyrret av veggen slip, skjær striper eller prøve søl som diskutert inngående ovenfor. Derfor, ved bruk av oscillerende skjær eksperimenter har blitt foreslått for å karakterisere strukturell nedbrytning og gjenvinning av sølv pastaer under skjerm-trykkeprosessen. Dette gjøres i en tretrinns oscillerende test som foreslått av Hoornstra, Zhou og Thibert 10, 15, 21. For det første har en amplitude sveip som skal utføres for å bestemme den lineære og ikke-lineære respons regime ved en forhåndsvalgt frekvens (figur 13). Den lineære viskoelastiske regime utmerker seg ved konstant, ligningen -uavhengig modulverdier og G'> G ''. Nedbrytningen av lagringsmodulen G' ved stor ligningen er valgt som et kriterium for å identifisere starten av ikke-linær respons regime. Det karakteristiske deformasjon amplitude ligningen c markerer overgang fra lineær til ikke-lineære respons er definert som den amplitude ved hvilken G 'har sunket til 80% av den gjennomsnittlige opprinnelige verdien G' 0 i den lineære regime: G '( ligningen c) = 0,8 G' 0. I fase I og III i testen, en liten svingningsamplitude innenfor det lineære viskoelastiske responsen regime, dvs. ligningen < ligningen c er valgt for å karakterisere strukturen resten av pastaen (fase I), så vel som tidsavhengigheten og utvinningsgraden i fase III av testen etter ødeleggelse av den opprinnelige struktur på grunn av en høy deformasjon amplitude anvendes i trinn II. Figur 14viser tilsvarende resultater for rulling av B. I trinn I blir pastaen deformert ved ligningen = 0,025%, og G' er høyere enn G '', det vil si den elastiske oppførsel av pastaen er dominerende. Når deformasjon økes i trinn II, G '' er høyere enn G' å sikre den strukturelle sammenbrudd i massen i løpet av denne perioden med store deformasjoner. Trinn III simulerer hvile av finger linjer på substratet etter trykking. I dette trinn G 'er høyere enn G '' igjen, men G' og også G '' er begge lavere enn den respektive initielle G' og G '' verdier før pastaen strukturen ble ødelagt. De videoopptak bekrefte at dette ikke er relatert til effekter som veggen slip, plug flow eller prøve spill. Pastaen deformeres jevnt i løpet av oscillerende skjærkraft, holder seg til platen, og angir heller ikke vegg slip eller prøve søl. Derfor kan det konkluderes med at den ufullstendigeutvinning av skjærmodulene indikerer en irreversibel strukturell endring i prøven på grunn av den påførte skjær stor amplitude i trinn II. Dataene vist i figur 15 (a) viser at graden av irreversibel strukturendring ikke er avhengig av varigheten av den store deformasjoner amplitude oscillerende skjærkraft påført i trinn II. Resultatene i stadium III ikke varierer for ulike tids avskjæring av tiden t II. Verdien av den valgte amplituden deformasjonen i trinn II har en sterk innvirkning på den grad av strukturell gjenoppretting. Dette er åpenbart fra figur 15 (b) viser forskjellen mellom lagringsmodulen verdiene bestemt i fase III og I Ag 'normalisert ved den initielle modulus verdien G' I. Til ligningen > 20%, dvs. ved deformasjoner som tilsvarer den crossover av G' og G ''(se figur 13) pasta B gjenvinner bare 30% av sin opprinnelige verdi, og lim A bare 10%. Dette regnes som et lim eiendom avgjørende for ulike belegg operasjoner og sin avhengighet av pastasammensetningen vil bli behandlet i det videre arbeidet. Legg merke til den strukturelle gjenoppretting umiddelbart etter opphør av stor amplitude oscillerende skjærkraft i trinn II kan være av største betydning, spesielt for skjerm-trykkeprosessen, men den kommersielle reometeret anvendt her, ikke tillater for bestemmelse av pålitelige data i løpet av det første sekundet etter endring ligningen .

Filament strekker eksperimenter har blitt utført for å simulere snap-off under skjerm-utskrift. Den snap-off hører til det siste trinnet av silketrykk. Figur 16 viser at de filamentlengde ved brudd øker med økende hastighet for strekking både pastes. Brudd opptrer alltid ved lavere strekkgrad (x br - x 0) / x 0 = Ax br / x 0 for pasta B enn for pasta A, men denne forskjell synes å avta noe med økende strekking hastighet. Da filamentet brekker av lim B skjer på et lavere trekkforhold denne pasta kan ha bedre snap-off egenskaper.

Resultatene oppnådd med kapillar-reometer bruddet forlengelsesviskositet avbildning oppsett resultater bekreftes ved Tensile Tester eksperimenter. Tilsvarende resultater er vist i figur 17. Igjen strekkforholdet ved hvilken filamentene brytes øker med økende strekking hastigheten (Figur 17 (a)) og lim B bryter ved lavere Ax BR / 0 x-verdier enn lim A. Men de absolutte verdiene Ax br / x 0 som ble oppnådd med den kapillær bruddet elongational reometeret er alltid høyere enn tilsvarende verdier oppnådd med den strekktester. Dette skyldes de forskjellige plate diameter D = 6 mm og d = 5 mm, det vil si forskjellige initiale prøvevolumer for kapillar-reometer bruddet forlengelsesviskositet og strekktester. Endelig strekktester gir også en annen karakteristisk parameter den maksimale kraft F max virker på filamentet under strekking. Denne mengden øker også lineært med økende separasjon hastighet, men i dette tilfelle ble oppnådd for pasta B verdier er større enn de for pasta A. Ytterligere undersøkelser vil være nødvendig for å avsløre relevansen av Fmax for skjerm-trykkeprosess eller andre belegnings-operasjoner.

Figur 1
Figur 1. Tilsynelatende viskositet i kontrollert skjærhastighet parallelle platerotasjons rheometri. Oversikt over resulting tilsynelatende viskositet og skjærspenning målt på en kontrollert skjærhastighet modus med et parallell-plate-reometer (kort: PP), plate ruhet R q = 2 - 4 um og spaltehøyde h = 1 mm. Klassifisering av tilsynelatende skjærhastighet i tre deler basert på video-opptak under målingen. Wall slip, lime deformasjon og prøve spill er uthevet i videoopptak utskjæringer. Lim B er valgt som eksempel her, men lignende resultater ble oppnådd for pastaen A. Feilstolpene er beregnet som standardavvik oppnådd fra i det minste tre uavhengige målinger. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2. Anvendelse av tangens krysningspunkt metode for flytespenning bestemmelse. Deformasjonen γ, dvs. forskyvning av den øvre plate dividert med spaltehøyden, er plottet mot den påførte nominell skjærspenning τ appen. Skjærspenningen styres målingen er gjort med en plate ruhet R q = 2 - 4 pm og en spaltehøyde h = 1 mm. Lim B er valgt som eksempel her, men lignende resultater ble oppnådd for lim A. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. Effekt av platen ruhet på tilsynelatende flytespenning. Den resulterende tilsynelatende flytespenning for annen plate ruhet Rq = 1,15 um, R q = 2 - 4 um og Rq = 9 um vs spaltehøyde h. Resultater er avhengige av platen roughness Rq og er uavhengig av varierende målespaltehøyden (venstre: lim A, høyre: pasta B). Feilstolpene er beregnet som standardavvik oppnådd fra i det minste tre uavhengige målinger. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4. Åpninger fra videoinnspillinger ved varierende skjærspenning. Her hjelp av eksempel på pastaen A målt med plate ruhet Rq = 1,15 um. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
q = 2 - 4 um. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6
Figur 6. Åpninger fra videoinnspillinger ved varierende skjærspenning. Her hjelp av eksempel på pastaen A målt med plate ruhet Rq = 9 um. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 7
Figur 7. Åpninger fra video regist dings ved varierende skjærspenning. Her hjelp av eksempel på pastaen B målt med plate ruhet Rq = 9 um. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 8
Figur 8. Resulterende flytespenning. En sammenligning av flytespenningen for lim A og B bestemmes med vingegeometri og R q = 2 - 4 um parallell-plategeometri. Feilstolpene er beregnet som standardavvik oppnådd fra i det minste tre uavhengige målinger. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

pload / 55377 / 55377fig9.jpg"/>
Figur 9. Avhengighet av veggen slip på skjærspenning. Veggslipphastighet v slip mot skjærspenning τ for lim A og B bestemmes med Rq = 1,15 um parallell-plategeometri ved spaltehøyde h = 1 mm. Det karakteristiske vegg slipphastighet oppnådd ved flytespenningen til materialet er angitt som V *. Feilstolpene er beregnet som standardavvik oppnådd fra i det minste tre uavhengige målinger. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 10
Figur 10. Effekt av spaltehøyde på prøven søl. Tilsynelatende viskositet ved varierende målespaltehøyden h på en kontrollert skjærhastighet modus for pasta B og platen ruhet R q = 2 - 4um. Spaltehøyden varieres mellom h = 0,2 mm og h = 2,0 mm. Nedoverrettet kink av viskositetskurven setter inn ved høyere skjærhastigheter når en nedre spaltehøyde er valgt. Spaltehøyden varieres mellom h = 0,2 mm og h = 2,0 mm. Feilstolpene er beregnet som standardavvik oppnådd fra i det minste tre uavhengige målinger. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 11
Figur 11. Det kritiske rotasjonshastighet ved hvilken prøven utslipp setter i Rotasjonshastighet n crit ved hvilken den nedadgående kink av viskositetskurven settene i vs. spaltehøyden h med parallell-plategeometri med R q = 2 - 4 um (venstre.: lime A, høyre: lime B). Prøveringvirkninger setter inn på dette characteristic rotasjonshastighet som bekreftet ved videoopptak. For pasta En prøve utslipp setter inn ved n crit, A = 0,6 min-1 og for lim B ved n crit, B = 1,7 min -1 for spaltehøyden h ≥ 0,5 mm. Feilstolpene er beregnet som standardavvik oppnådd fra i det minste tre uavhengige målinger. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 12
Figur 12. Viskositet i et bredt skjærhastighetsområde. Tilsynelatende viskositet av pastaen A og B bestemmes i et bredt skjærhastighetsområde ved hjelp av parallell-plate rotasjons rheometri (spaltehøyde h = 0,2 mm og h = 1 mm; Rq = 2 - 4 pm) og kapillær rheometri (d = 0,5 mm og L = 40 mm). Feilstolpene er beregnet som standar d avvik oppnådd fra i det minste tre uavhengige målinger. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 13
Figur 13. Bestemmelse av lineær og ikke-lineær respons regime i oscillerende skjærkraft. Amplitude feie test for pasta B: G', G '' vs. deformasjon amplitude ligningen med fast frekvens f = 1 Hz. Test utført ved anvendelse av en rotasjons-reometer utstyrt med parallellplategeometri (Rq = 2 - 4 pm, spaltehøyde h = 1 mm). Feilstolpene er beregnet som standardavvik oppnådd fra i det minste tre uavhengige målinger.large.jpg" target = '_ blank'> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 14
Figur 14. Tre scene strukturell gjenvinningstest. Tretrinns strukturell gjenvinningstest for pasta B utføres ved konstant frekvens f = 1 Hz med et parallell-plate roterende rheometer (plate ruhet R q = 2 - 4 pm). Den påførte deformasjon amplitude ligningen i trinn I er 0,025%, i trinn II ligningen = 80%, og i trinn III ligningen = 0,025%. Videoopptak bekrefte homogen prøve deformasjon gjennom gapet, ingen veggen slip, skjær banding, pluggstrøm eller prøve utslipp skjer. Feilstolpene er beregnet som standardavvik oppnådd fra minst treuavhengige målinger. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 15
Figur 15. strukturelle gjenopprettings tester. (A) Virkning av skjær tid på strukturell gjenoppretting. Strukturell gjenoppretting av pasta B for ligningen II = 80% og forskjellig varighet av fase II, II t = 50 s, 150 s og 600 s. (B) Virkning av deformasjon amplitude på strukturell gjenoppretting. Relativ irreversible strukturforandring
(G '(t → ∞) - G' (t = 0)) / G '(t = 0) = Ag' / G' I som en funksjon av deformasjon amplitude ligningen anvendt i trinn II av de tre stage strukturell gjenoppretting test bestemmes for lim A og B med konstant t II = 150 s. Feilstolpene er beregnet som standardavvik oppnådd fra i det minste tre uavhengige målinger. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 16
Figur 16. Optisk bestemmelse av filamentbrudd i forlengelsesviskositet deformasjon. Kritisk strekkstrekkforhold ved hvilket filamentbrudd finner sted for pastaer A og B ved forskjellige strekkehastigheter som oppnås ved anvendelse av kapillar-reometer bruddet forlengelsesviskositet (initial spaltehøyde h = 1 mm). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 17
Figur 17. Strekkprøving - aksialkraft under forlengelsesviskositet deformasjon. Resulterende ax br / x 0 (a) og resulterende kraft F max (b) vs strekker hastighet som oppnås for lim A og B med den strekktester. Den innledende spaltehøyde er h = 1 mm, og stempeldiameter d = 5 mm. Innskuddet viser rå kraft F vs. strekning forholdsdata for pastaen B erholdt ved v = 30 mm S-1 for å demonstrere bestemmelse av Fmax og Ax br. Feilstolpene er beregnet som standardavvik oppnådd fra i det minste tre uavhengige målinger. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.


Tabell 1. Oversikt over anvendte metoder, tilsvarende karakteristiske informasjonen, og forskjellene mellom spesifikke strømningsegenskaper lim A og B. Trykk her for å vise en større versjon av denne tabell.

Discussion

En omfattende reologiske karakterisere høykonsentrerte suspensjoner eller pastaer er obligatorisk for en målrettet produktutvikling som oppfyller de mangfoldige krav under bearbeiding og anvendelse av slike komplekse fluider. Undersøkelsen omfatter bestemmelse av flytespenningen, viskositeten, vegg slipphastighet, strukturell gjenoppretting etter store deformasjoner, og forlengelsen ved brudd så vel som strekkraften i løpet av filamentstrekking. En oppsummering av alle anvendt metoder, innhentet informasjon, og lim, er oppsummert i tabell 1.

Betydningen av video-opptak for pålitelig bestemmelse av reologiske mengder av sterkt fylte suspensjoner som viser veggen slip, skjær banding og prøven overløps i parallell-plate rotasjons rheometri er demonstrert. Videoopptak muliggjøre bestemmelse av den sanne deformasjon profilen og strømningsfeltet ved prøven felgen ved hjelp av egnede markører. Det er nødvenAry å studere denne deformasjonsoppførsel før analysere resultatene av reologiske forsøk. Således måleparameterinnstillinger og plateujevn verdier kan identifiseres som viskositetsmålinger er mulig. Pastaen flytespenning kan bestemmes enten ved hjelp av en vingegeometri eller plate-plategeometri med passende ruhet.

Viskositet bestemmelse er mulig ved hjelp av plate-plategeometri bare med en nøye valgt plate ruhet avhengig av prøvens sammensetning. Høyere ruhet ikke nødvendigvis føre til lavere vegg slip. Den skjærhastighet eller skjærspenninger område hvor viskositeten bestemmelse kan gjøres er begrenset av flytespenningen og utbruddet av prøven søl.

Videre kan slipphastighet måles direkte og målebetingelser ved hvilke pluggstrøm, skjær striper eller prøve overløps oppstår kan identifiseres tydelig. For vegg slippmålinger glatte overflater ble anvendt som den øvre skjær plate og en grov bunnplate for å tillate slipp bare på den øvre plate. Denne slipphastigheten kan beregnes direkte fra vinkelhastigheten av den øvre plate. For begge pastaer oppstår slip ved spenningsnivåer godt under den tilsynelatende flytespenning. Lignende observasjoner er blitt rapportert for suspensjoner av glassperler 25, leiresuspensjoner 27, myke mikrogelpulvere pastaer, så vel som for emulsjoner 28, 29, 30. Her en lineær økning av v slip med τ app er funnet. Dette er i tråd med observasjoner av Aral et al. 25 som også fastslått v slip ved hjelp av visualisering av strømningsfeltet ved kanten av de undersøkte glassperler suspensjoner.

Seth et al. har vist at skalering av slipphastighet med påtrykt spenning styres av vekselvirkning mellom det myke particles de brukte i sin studie og veggen. For det tilfelle at det ikke er noen spesiell festing av partikler til veggen, de også finne et lineært forhold mellom v slip og spenning, men en kvadratisk skalering er funnet at partiklene hefter svakt til veggen 28, 29, 30. Studiene på myke partikkel pastaer viser også en karakteristisk slipphastighet V * ved flytespenning og en elastohydrodynamisk modell er presentert 29 som tillater å beregne V * fra fysisk fluid og partikkel parametre som kan bestemmes uavhengig av hverandre: V * ~ γ y 2 (G 0 R / η s) (G P / G 0) 1/3. Denne egenskap slipphastighet avhenger av pastaene utbytte belastning γ y og elastisitetsmodulen G 0, oppløsningsmiddel viskositet η s, samt partikle radius R og modul G P. Verdiene som følge av denne enkle anslag (V A * = 375 pm S-1 og V B * = 118 nm e -1) er enig meget godt med eksperimentelle resultater (figur 9) ikke bare med hensyn til størrelsesorden, men også angående forskjellen mellom lim A og B.

Eksempelølet er observert her ved en kritisk rotasjonshastighet er karakteristiske for hvert lim. Søl ikke forekommer i de rene biler. Dette fenomen begrenser reologiske karakteriseringen av pastaer og kan også være aktuelt for visse behandlings eller belegningsoperasjoner men dens fysisk opprinnelse er fremdeles uløst.

Videoopptak indikerer videre at veggen slip, pluggstrøm og prøven utslipp kan utelukkes under oscillerende skjærprøvninger. Derfor er reduksjon og økning i skjærmoduler observert i løpet av tre trinns oscillerende skjærprøvninger med small svingningsamplitude i fase I og III, så vel som store deformasjoner amplitude ligningen > ligningen c kan være direkte knyttet til strukturell nedbrytning og gjenvinning. Det kunne vises at graden av irreversibel strukturelle endringer i løpet av svingningsskjær øker med økende deformasjon amplitude i stadium II inntil en metning på deformasjoner som tilsvarer den crossover av G' og G '' i amplituden feie testen, men den irreversible skader er uavhengig av varigheten av høy amplitude skjærkraft i trinn II. Endringen i modul og dermed prøve struktur på grunn av stor skjærdeformasjon i trinn II er betegnet irreversibel her siden etter å ha ventet tid på mer enn 10 4 s, er langt lavere enn den opprinnelige verdien lagringsmodulen (data ikke vist). Dataene vist i figur 15, er begrenset til ventetider 1500 s for oversiktens skyld. Imidlertid bør det bemerkes at tidsskalaen for trykkeprosessen er i størrelsesorden sekunder eller under. Dette er ikke tilgjengelig med den konvensjonelle roterende rheometer oppsettet brukt i denne studien.

Gapet høyder brukt i denne studien er også mye større enn typiske mesh åpninger i skjermen utskrift av moderne trykt elektronikk. Rheologiske målinger ved hjelp av plate-plategeometri ikke kan utføres ved så lite gap åpninger på grunn av begrensninger av mekanisk justering for store plater som vanligvis brukes i rheologiske målinger. Videre er store gap separasjoner er valgt her for å lette visualiseringen av prøven deformasjon på felgen.

Filament strekker tester ved hjelp av et kapillar-reometer bruddet forlengelsesviskositet og en strekkprøver kan anvendes for å karakterisere deformasjon og oppbrytning oppførsel av høyt fylte masser i Forlengelsesstrømmer. Forlengelsen ved brudd og maximum kraften under forlengelsen er parametre som oppnås fra disse tester og kan være relatert til den nalen snap-off i løpet av silketrykk.

Til slutt ble signifikante forskjeller observert i alle eksperimentene beskrevet ovenfor for de to kommersielle sølv pastaer undersøkt i denne undersøkelsen. En utvidet diskusjon av relevansen av de reologiske egenskaper for pasta deres ytelse vil bli behandlet i en etterfølgende papir basert på data for et stort utvalg av forskjellige pastaer og kjøretøy.

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 utgave 122 reologisk karakterisering meget konsentrert suspensjon sølvpasta videoopptak vegg slip skjær banding plate ruhet skjær forlengelse
Utfordringer i Reologi Karakterisering av høykonsentrerte utestengelse - A Case Study for silketrykk Silver Limer
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