Utmaningar i Reologisk karakterisering av högkoncentrerade Avstängningar - en fallstudie för screentryck Silver Pastor

Engineering
 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

Framsidan metallisering av kisel solceller vanligen realiseras med traditionella screentryck. Förutom stencil tryckning, bläckstråleutskrifter och flexotryck 1 har screentryck använts sedan 1970-talet för många utskriftstillämpningar 2. Det är en mångsidig teknik och solcellsproduktion, garanterar det enkelt och snabbt metallisering till en låg utskriftskostnader. Men flytegenskaper screentryck pastor måste justeras noggrant för att garantera ostörd, felfri bearbetning. Detta är särskilt utmanande i solcell metallisering, eftersom smala likformiga linjemönster måste uppnås. Dessutom pasta recept måste justeras noggrant för att undvika sedimentering av hög densitet silverpartiklar, fasseparation och partikelaggregation.

De högkoncentrerade ledande skärm-tryckpastor för front-side metallisering av solceller mainly bestå av tre komponenter 3, 4, 5, 6: det ledande materialet, i allmänhet mikronstorlek silverpartiklar som tillhandahåller god elektrisk ledningsförmåga 7, 8; den kontinuerliga fasen, den så kallade fordon, en blandning av organiska bindemedel, lösningsmedel och tillsatser som främjar partikel vätning, filmbildning och vidhäftning till substratet som även innehåller tillsatser för att justera flödet beteende, särskilt låta pastan passera de smala skärm maskor lätt; och det oorganiska bindemedlet (glaspulver) verkar som en adhesionspromotor och aktiverar sintringsprocessen vid lägre temperaturer.

Utskrift fina linjer med ett högt sidoförhållande kräver silverpastor som uppvisar en hög sträckgräns och en uttalad skjuvningsförtunnande beteende 9. Den höga sträckgränsen garanterar god shape noggrannhet och ett högt förhållande aspekt medan stark skjuvning-gallring och en motsvarande låg viskositet vid höga skjuvhastigheter är nödvändiga när pastan strömmar genom smala masköppningar, där pastan utsätts för höga skjuvhastigheter uppskattningsvis vara bortom 10 3 s -1 10.

Vid utskrift, är pastor utsätts för mycket olika deformation hastigheter och spänningar. Först vilar pastan på skärmen; sedan skrapans akter och pastan penetrerar genom silöppningar på substratet. Efter applicering av pastan på kiselskivan, struktur och viskositet måste återhämta sig snabbt för att förbjuda pastan sprids på substratet. Detta skulle minska solcells föreställningar på grund av högre skuggningsförluster 10, 11, 12, 13, 14, 15. Avbrott, de så kallade meshmarks, i tryckta fingerlinjer kan förekomma vid korsningspunkter av siltrådarna beroende på pasta reologi. Tiden för utjämning av meshmarks bör vara så lång som nödvändigt men också tillräckligt kort för att hålla fingret linjen sprids så låg som möjligt 16.

Rakel tryck som erfordras för pastan att flyta genom maskorna på substratet måste justeras noggrant för att påkänningen som krävs för att ge god formnoggrannhet 3, 6, 9, 17, 18 högt utbyte. Partiklar är tätt packade, interagera starkt och bilda komplexa strukturer. I enlighet därmed, förutom flytspänning, skjuvförtunning och tixotropi, kan olika andra komplexa strömningsfenomen som skjuvning banding eller avalanching inträffa i sådana suspensioner 19, 20 </ sup>, 21. Wall slip är också viktigt att koncentrerade suspensioner 22, 23, 24, 25. Ett tunt skikt av vätska med lägre viskositet, dvs ett skikt utarmat eller fri från partiklar bildas intill väggen 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 och kan styra flödet genom smala spalter eller kanaler.

Så en omfattande reologisk karakterisering av skärm-tryckpastor är nödvändig för att förbättra bearbetningsegenskaper och produktegenskaper. I denna studie är två kommersiella silver pastor känne. Dessa pastor uppvisa väsentligen olika tryck föreställningar. Den reologiska rödingacterization av sådana material är mycket krävande. Även enkla bestämningen av konstant skjuvning viskositeten med användning av en rotations reometer är en stor utmaning på grund av vägg slip, pluggflöde, skjuvning bandning och klistra spill. I enlighet därmed, tidigare studier fokuserat på oscillerande skjuvning mätningar 10, 17, 21 eller på karakterisering av låga koncentrerade silverpastor, så kallade bläck 3, 6, 15, för vilka sannolikt inte kommer att förekomma de ovan nämnda fenomenen.

Protokoll för en robust och meningsfull karakterisering av flödesbeteendet hos koncentrerade silver pastor kan definieras med hjälp av videoinspelningar. En rotations skjuvningsreometer med en parallell-plattprov fixtur används i denna studie, vilket tydligt visar att pluggflödet, vägg slip, och skjuvning banding beror på plattan grovness på ett icke-trivialt sätt.

I tidigare arbete, undersöktes för olika platt grovhet var tidsberoende utveckling av vägg slip i steady vrid flöde av koncentrerade suspensioner. Flödet av starkt koncentrerade suspensioner av fasta glassfärer i polymerbindemedelslösning visualiserades och en ökad platta eller innercylindern grovhet förhindras vägg halka. Emellertid sökande skivan grovhet resulterade i fraktur av proverna 22, 25. Fraktur inträffade vid mindre skenbara skjuvhastigheter när väggråheten ökades. Spetsarna på ojämnheter hos de uppruggade ytorna kan fungera som spänningskoncentrationspunkter på plattans yta, initiera brott vid skjuvspänningar t mindre än sträckgränsen τ y 25.

Wall slip anses vara viktiga för skärm utskrift prestanda högkoncentrerade pastor. Det förflutna e glider genom nätet lättare vid högre vägg slip och dess avsättning på substratet ökas avsevärt 32. Med hjälp av videoinspelningar, kan väggen slip observeras direkt för olika experimentella protokoll. Den glidhastighet kan bestämmas direkt från vinkelhastigheten hos den roterande skivan med hjälp av släta plattor med låg grovhet. Men flytegenskaper bestämning på silver pastor är en inneboende begränsning. Suspension är icke-transparent, kan så optisk flödesfältobservationer endast göras vid prov fälgen. Tidigare studier har försökt att bestämma vägg slip och deformation inom proverna samtidigt. De observerade slip under sträckgränsen och fann en kvadratisk beroendet av glidhastighet på skjuvspänning. Flödesuppträdandet av transparenta lersuspensioner undersöktes genom Pignon 27 efter deformationen av ett färgämne pigment linje sprutas in i bulkmaterial. Persello et al.xref "> 26 har undersökt koncentrerade vattenhaltiga kiseldioxid suspensioner. De fann att sökande skivan grovhet för att undertrycka vägg slip inte resulterar i ett homogent prov deformation men provocerade bulkbrott. Slip och prov deformation i pastor av mjuka mikrogelpartiklar och koncentrerade emulsioner har varit intensivt diskuteras i en serie artiklar 28, 29, 30, 31. Fluorescerande spårämnespartiklar användes för att bestämma fältflödet inom dessa transparenta prover i en kon-plattgeometri. de fann en karakteristisk glidhastighet V * vid sträckgränsen hos den respektive material och en effekt lag för ökningen av glidhastighet med skjuvspänningen τ nedan τ y. en exponent för en hittades för icke-vidhäftande partiklar och två i fallet med svag attraktion mellan partiklarna och väggen.

I studien presenteras hennee utvecklingen av deformation och flyta under kontrollerad spänning och kontrollerade betingelser skjuvhastighet övervakas. I motsats till de resultat som rapporterats i referens 25, sökande skivan grovhet inte resulterar i fraktur för båda undersökta pastor. Dessutom kan vägg slip och pluggflöde inte undertryckas bara genom att öka platt råhet. Dessa fenomen tycks styras genom förhållandet mellan partikelstorlek och platt grovhet. Prov spill sätter in vid en karakteristisk rotationshastighet förmodligen bestäms av balansen mellan centrifugalkrafter som verkar på och friktion vid reometer plattan. Emellertid kan skjuvningshastighet område, i vilket bestämn viskositeten är möjligt fastställas, och samtidigt vägg slip kan kvantifieras. Vidare är en kapillärreometer som används för att bestämma viskositeten vid högre skjuvhastigheter är relevanta för tryckprocessen.

Trots svårigheterna med konstant skjuvning reometri, väldefinierad oscillerande skjuvningsdeformering cen implementeras lätt. En tre-stegs svängningstest (konstant frekvens, olika svängningsamplituder) simulerar screentryckningsprocessen 10 och möjliggör för att studera strukturella återhämtning av pasta:

I den första "pre-print" steg, är en liten deformation tillämpas för att fastställa de elastiska och viskösa egenskaper i vila. Den andra "print" steg simulerar bladbestrykning och pastan passerar filternätverket genom att anbringa en tillräckligt hög deformation amplitud bryta pastan strukturen. I det slutliga "post-print" steg, är en liten deformation appliceras för att detektera strukturella återhämtning av pastan. Det initiala modulvärdet bör nås snabbt för att undvika pasta sprids men inte alltför snabbt för att undvika meshmarks. Undersökningarna presenteras här bekräftar att den strukturella återhämtningen är ofullständig som tidigare rapporterats av Zhou 21. Zhou kunde visa att den strukturella förändringen orsakasgenom brytandet av fyllmedels kluster av fyllmedel-matrix frikoppling användning silverpartiklar suspenderade i etylcellulosa lösning. Videoinspelningar i denna studie visar att den observerade irreversibel strukturförändringen inte är en artefakt relaterad till förekomsten av väggen slip, skjuvning banding, pluggflöde eller provspill. Dessutom har det visat sig att graden av strukturell nedbrytning är starkt beroende av deformationen amplituden appliceras i steg två, men knappast beror på tidsintervallet för den anbringade töjningen. Denna aspekt har inte uppfattas i experimenten i Zhou. Inverkan av pastakompositionen på strukturell nedbrytning och återhämtning kommer att diskuteras i en efterföljande papper.

Slutligen är en metod för att simulera pastan beteende under skärmen snap-off presenteras. En kapillär upplösning töjningsflöde reometer och en kommersiell dragprovare används för att bestämma sträckförhållandet vid vilket pastorna bryts och den maximala axiella kraften under sträckning som en funktionförlängningshastighet.

Videoinspelningar har visat sig vara nödvändiga för att finna de lämpliga protokoll mätnings nödvändig för en meningsfull reologisk karakterisering av silverpastor med användning av parallella plattor rotations reometri. Videodata möjliggjorde bestämning av skjuvhastighet och skjuvspänning regimer i vilka fysikaliskt väldefinierat sträckgränsen och viskositeten värden skulle kunna bestämmas. Lämpligt val av plåt grovhet och plattseparationsparametrar också baserad på dessa videoinspelningar. Experimentella inställningar för vilken vägg slip, rent pluggflöde, skjuvning banding eller prov spill inträffar kunde otvetydigt identifieras. Pastorna undersökta här används för framsidan metallisering av solceller. Emellertid, stödde en noggrann video reologisk karakterisering är också viktigt för olika andra typer av koncentrerade suspensioner inklusive hög densitet, mikronstorlek partiklar.

Protocol

Varning: Kontakta alla relevanta material säkerhetsdatablad (SDB) före användning. Flera av de komponenter som används för silverpastaformulering är akut toxiska, karcinogena och vattenfarliga ämnen. Använd alla lämpliga säkerhetsåtgärder vid hantering med silver pastor (personlig skyddsutrustning - skyddsglasögon, handskar, labbrock, fullängds byxor, sluten tå skor). Arbetar också med reometer kräver noggrant arbete. Skydda händerna från att bli instängd under de geometriska flyttas till mätpositionen.

1. Rotations Shear Mätningar - mätrapport

  1. Skenbar viskositet bestämning - skjuvhastighet kontrollerade mätningar
    1. Utföra rotations skjuvning experiment med användning reometer A med parallell-plattgeometri (platt grovhet R q = till 2 - 4 um, plattans diameter d = 25 mm). Erforderlig pastavolymen är 0,49 ml.
      1. justeramätning inställningar för viskositetsbestämning. Utföra mätningar i stegvis kontrollerad skjuvningshastighet läge Ekvation = 0,01 s -1 - 1000 s -1 i 40 steg. Mättiden är 1200 s.
      2. Placera utrustning för inspelning mätgapet på plats: kamerastativ med den bifogade endoskopisk kamera, LED-strålkastare, och den externa datorn för att spara inspelningarna. Justera endoskopiska kamerainställningar, t ex kontrast och ljusstyrka av exponeringsfältet.
      3. Precis före fyllning upp reometern gapet Blanda provet i behållaren så pastan blandas homogent.
      4. Fyll upp reometer gapet med det blandade silver paste prov.
        OBS: För en mätgap höjden h änden = 1 mm, först gå till ett gap läge h 1 = 1,05 mm för avlägsnande av överskott av prov från kanten av reometern geometri. efter clearing upp överskott av prov, ändra själva spalthöjd position från h 1 till h änden.
      5. Att visualisera pastan flödet i gapet mätning, markera pastan med sotpartiklar i en vertikal linje.
      6. Innan mätningen vänta ca 5 min tills normala krafter i gapet har avklingat.
      7. Starta mätningen. Starta mätanordningen och videoinspelning samtidigt att följa pastan i gapet och att korrelera mätning inställningar, reometri resultat och videoinspelningar på rätt sätt.
      8. Upprepa mätningen steg 1.1.1.3 - 1.1.1.7 minst tre gånger.
      9. Plotta den skenbara viskositeten η appen mot skenbar skjuvhastighet Ekvation app logaritmiskt. Utvärdera videoinspelningar för att kontrollera den del av dominerande vägg slip, den del av pasta deformation, och den del av provspill. Parameterinställningarna för vilka en enhetlig shöronprofilen bildas kan detekteras lätt på grundval av de videoinspelningar (Figur 1).
        OBS: skjuvspänningen vid plattans kant beräknas från den inspelade vridmoment appliceras av reometern och den skenbara skjuvhastigheten vid plattans kant vid steady state. Den skenbara skjuvhastigheten refereras till vinkelhastigheten hos plattan och till den spalthöjd h vid maximal plattradien.
  2. Sträckgränsen bestämning - en jämförelse av skjuvspänning kontrollerade mätningar med olika platt grovhet och vinggeometrin
    1. Sträckgränsen mätning med en platta grovhet av R q = 1,15 ^ m.
      1. För mätningar med Rq = 1,15 ^ m, användning reometer B med en plattdiameter d = 20 mm. Erforderlig pastavolymen är 0,31 ml.
      2. Justera mätnings inställningarna för flytspänning mätning. Utföra mätningar i stegvis kontrollerad skjuvspänning mode. Variera skjuvspänningen mellan 1 Pa till 3000 Pa i 35 steg med en total mättid av 1,050 s.
      3. Montera ett kamerastativ med den bifogade endoskopisk kamera, en LED-strålkastare, och den externa dator med programvara för att spara videoinspelningar. Justera endoskopiska kamerainställningar, t ex kontrast och ljusstyrka av exponeringsfältet.
      4. Innan du fyller gapet mätning med silverpasta, blanda provet i dess reservoar för att säkerställa att det blandas homogent. Använda en hastighetsblandare (30 s vid 1000 rpm). Efter blandning, fylla gapet med pasta.
      5. Ta en liten mängd av den blandade pastan, tillämpa den på bottenplattan hos den parallella plattor reometer och föra den övre plattan till ett mätläge.
        OBS: För en mätning med spalthöjd h slutet = 1 mm, först gå till gapet positionen h 1 = 1,05 mm och avlägsna överskott av prov från kanten av reometern geometri. Efter att rensa upp överskottet Sampel, ändra själva spalthöjd position från h 1 till h änden.
      6. Markera pastan i gapet mätnings med sotpartiklar i en vertikal linje. Detta möjliggör visualisering av pastan deformation och flöde i spalten samt väggen slip.
      7. Innan mätningen vänta ca 5 min tills normalkraften på den övre plattan har försvunnit.
      8. Starta mätningen nu. Starta mätanordningen och videoinspelning samtidigt att följa pastan i gapet och att tillskriva inställningarna rätt mätning till videoinspelningar.
      9. Fortsätt mätningen tills pastan spills ut ur gapet.
      10. Upprepa mätningen totalt tre gånger. För varje mätning, rengör mäta gapet med etanol och upprepa steg 1.2.1.4 - 1.2.1.9.
      11. När mätningen är klar, plotta deformationen γ kontra skjuvspänning τ logaritmiskt och bestämma sträckgränsen av mediet med användning av tangent skärningspunktsmetoden 33.
    2. Sträckgränsen mätning vid en platta grovhet av R q = till 2 - 4 | j, m.
      1. För mätningar med Rq = till 2 - 4 um, användning reometer A med en plattdiameter d = 25 mm. Erforderlig pastavolymen är 0,49 ml.
      2. Upprepa stegen 1.2.1.2 - 1.2.1.11 för sträckspänningsmätningar med en platt grovhet R q = 2 - 4 | im.
    3. Sträckgränsen mätning vid en platta grovhet av R q = 9 um.
      1. För mätningar med Rq = 9 um, användning reometer B med en plattdiameter d = 20 mm och krävde pastavolymen 0,31 ml. Använd dubbel tejp för att fästa bitar av sandpapper till plattorna som matchar deras diameter.
      2. Upprepa stegen 1.2.1.2 - 1.2.1.11 för sträckgränsen mätning med en platta grovhet R q = 9 um.
    4. Yield stress mätning med skoveln geometri.
      1. För avkastningsspänningsmätningar med skovelns geometri, använd reometer C.
      2. Justera mätnings inställningarna för flytspänning mätning. Utföra mätningarna i stegvis kontrollerad skjuvspänning läge som parallell-plattmätningar i 1.2.1, 1.2.2 eller 1.2.3. Parametervärdena är τ = 1 - 3000 Pa i 35 steg och en total mättid av 1,050 s.
      3. Före fyllning den cylindriska mätkoppen med provet, blanda provet i dess behållare för att säkerställa att provet blandas homogent. Efter blandning fylla upp den cylindriska mätkoppen med 10 ml silverpasta.
      4. Flytta vinggeometrin till mätpositionen och vänta 5 min.
      5. Starta mätningen nu.
      6. För tillförlitliga resultat, upprepa mätningen minst tre gånger.
      7. När mätningen är klar, plotta deformations- γ kontra skjuvspänning τ logaritmiskt och bestämma sträckgränsen med användning avtangentskärningspunkten metod som beskrivits ovan.
  3. Wall slip observation
    1. Utföra vägg slip observationer med en platta grovhet R q = 1,15 ^ m med användning av reometer B med en plattdiameter d = 20 mm.
      1. Justera mätnings inställningarna för väggen slip bestämningen. Utföra mätningar i kontrollerad skjuvspänning läge för valda skjuvspänningar mellan 400 Pa och 1300 Pa och en mättid av 300 s totalt.
      2. Placera utrustningen för inspelningar av mätgapet på plats: kamerastativ med den bifogade endoskopisk kamera, LED Spotlight och den externa datorn för att spara inspelningarna. Justera endoskopiska kamerainställningar, t ex kontrast och ljusstyrka av exponeringsfältet.
      3. Innan du fyller gapet mätning med silverpasta, blanda provet i dess reservoar för att säkerställa att det blandas homogent.
      4. Fyll upp reometer gapet med det blandade silver paste prov.
      5. Markera pastan i gapet mätnings med sotpartiklar i en vertikal linje för flödesbeteende observation.
      6. Innan mätningen vänta ca 5 min tills de normala krafterna i gapet har avklingat.
      7. Starta mätningen. Starta mätanordningen och videoinspelning samtidigt att följa pastan i gapet och att korrelera mätning inställningar reometri resultat och videoinspelningar på rätt sätt.
      8. Upprepa stegen 1.3.1.3 - 1.3.1.7 tre gånger för varje vald skjuvspänning.
      9. Plotta väggen glidhastighet v slip kontra skjuvspänning τ för att visa vägg slip beteende (figur 9).
  4. Prov spill undersökning under mätning rotations skjuvning
    1. Utföra slumpvis spill undersökning med reometer A (plattans diameter d = 25 mm och krävde pastavolym 0,49 ml).
      1. För att bestämma beroendet av uppkomsten av provspill på spalthöjden hrun steg 1.1.1.1 - 1.1.1.8 vid olika spalthöjder.
        OBS: För en mätning med
        h ände = 0,2 mm först gå till gapet positionen h 1 = 0,21 mm och avlägsna överskott av prov
        från kanten av reometern geometrin
        h ände = 0,5 mm → h 1 = 0,51 mm
        h ände = 1,0 mm → h 1 = 1,05 mm
        h ände = 1,5 mm → h 1 = 1,55 mm
        h ände = 2,0 mm → h 1 = 2,05 mm
      2. Föreliggande resultat som en plot av den skenbara viskositeten η appen mot skenbar skjuvhastighet Ekvation app för olika spalthöjder (Figur 10). Bestämma kink i denna kurva och den motsvarande kritiska rotationshastigheten n krit och plotta denna mot gapet höjd h (figur 11).
  5. Reologisk karakterisering ent höga skjuvningshastigheter utfördes med kapillärreometer
    1. Utföra kapillärreometer mätningar med användning av ett munstycke med cirkulärt tvärsnitt. Använda ett munstycke med diametern d = 0,5 mm och längden L = 40 mm här. Diametern hos matningsbehållaren är d-flöde = 20 mm.
      1. Justera inställningarna mätnings (kolvhastighet mellan 0,001 mm s -1 och 20 mm s -1). Utföra mätningar i stegvis kontrollerad skjuvningshastighet, 5 s för varje mätpunkt.
      2. Blanda provet för att säkerställa pastan blandas homogent och fyller upp den foderreservoaren med 78,5 ml silverpasta.
      3. Ta kolven i mätningsläge och starta mätningen.
      4. Beräkna skjuvspänningen från tryckskillnaden mellan provkammaren och kapillär utlopp. Bestämma detta tryckfall med hjälp av en 500 bar tryckomvandlare. Spela in åtminstone 5 tryckvärden för varje vald kolvhastighet.
      5. Fortsätta mätningen tills matar reservoir är tom.
      6. Upprepa mätningen (steg 1.5.1.2 - 1.5.1.5) tre gånger.
      7. Beräkna den skenbara skjuvhastigheten från den volumetriska flödeshastigheten med användning av kolvhastighet och diameter hos matningsbehållaren och utför Weissenberg-Rabinowitsch korrigering. Beräkna vägg skjuvspänningen τ w från det uppmätta tryckskillnaden 34. Den skenbara viskositeten ges sedan som η app = τ w / Ekvation app. Slutligen, plotta den synbara viskositeten avsatt mot skenbar skjuvhastighet för att slutföra den reologiska karakteriseringen vid höga skjuvhastigheter (Figur 12).

2. Oscillerande Shear Mätningar

  1. amplitud svep
    1. Utföra amplitudmätningar sweep med reometer A med användning av en plattdiameter d = 25 mm och en grovhet R q = till 2 - 4 | j, m. den required pasta volymen är 0,49 ml.
      1. Justera mätnings inställningar för amplitud svepmätning. Utföra mätningar vid kontrollerad deformation amplitud Ekvation = 0,01 - 100% och en konstant frekvens av f = 1 Hz i 35 steg.
      2. Upprepa steg 1.2.1.3 - 1.2.1.8 för att slutföra amplitud sopa tre gånger. Rengöra mätgapet med etanol före varje mätning.
      3. Plotta modulerna G' och G '' vs. deformationen amplitud Ekvation logaritmiskt (Figur 13). Deformationen amplitudområde i vilken G'> G '' och båda modulerna löper parallellt oberoende av deformationen amplitud Ekvation Är den linjära viskoelastiska regimen (LVE). För strukturella tester återställnings välja en deformation amplitud från detta område för steg I och steg III . För steg II i det efterföljande trestegs strukturella återhämtningstest välja deformationen amplituden 10% högre än Ekvation korsningar i vilken G'= G '' för att säkerställa en strukturell uppdelning mellan de strukturella testerna återställnings.
  2. Trestegs strukturella återhämtningstest
    1. Utföra strukturella återhämtning tester med reometer En utrustade med användning av en platta med diametern d = 25 mm och grovhet R q = till 2 - 4 | j, m. Använda inställningarna bestämda i amplituden svep experimenten (2,1). Erforderlig pastavolymen är 0,49 ml.
      1. Utföra trestegssvängningstest med olika svängningsamplituder vid konstant frekvens (f = 1 Hz).
        NOTERA:
        Steg I: Små oscillationsamplitud inom LVE appliceras under en period av 300 s för att erhålla den skjuvning modulerna för initialtillståndet. För pasta Bfiler / ftp_upload / 55.377 / 55377eq2.jpg"/> I = 0,025%.
        Steg II: Den stora töjningsamplitud ( Ekvation II = 80%) som bestämts i steg 2,1 appliceras i oscillerande skjuvning för t II = 50 s, 150 s eller 600 s för tidsberoende undersökningar. För deformation beroende undersökningar stammen amplituder mellan Ekvation II = 0,025% och Ekvation II = 100% appliceras varje för konstant tid (t II = 150 s).
        Steg III: Samma lilla svängning amplitud som i steg I söks 1200 s för att följa återhämtningen under en längre tid.
      2. Upprepa steg 1.2.1.3 - 1.2.1.8 för att slutföra trestegs svängning testar tre gånger. Rengöra mätning gap med etanol före varje mätning.
      3. Plotta modulerna G' och G '' mot tid i en semi-log-kurva (se Figur 14 och Figur 15 (a)).

3. Stretching Behavior Fastställande - en Snap-off Simulation

  1. Stretching mätningar beteende med kapillär upplösning töjningsflöde reometer
    1. Utför stretching experiment med kapillär upplösning töjningsflöde reometer. Använda två cylindriska kolvar med en diameter d = 6 mm. Sträcka pastorna vid varierande hastigheter från den ursprungliga spalthöjden h = 1 mm tills filamentbrott.
      OBS: Observera att detta inte är en typisk glöd gallring experiment styrs av ytspänning. Detta test kan också göras med ett filternätverk fäst med emulsionssidan på den övre kolv och en skivsubstrat på botten. denna way tryckprocess under metallisering av mono- och polykristallina industriellt förbehandlade Si-wafer imiteras.
      1. Justera mätnings inställningar för sträckningsexperiment. Variera sträckningshastigheter (t.ex.: 7,5 mm s -1, 11 mm s -1 och 110 mm s -1) för att se förändringen i filament deformation och upplösning beteende.
      2. Slå på höghastighetskamera för att spela in förändringen i glödtrådsform. Ställa in bildfrekvensen till minimum 250 fps och aktivera bakgrundsbelysningen för att spåra filamentet deformation. Justera även kamerainställningarna hög hastighet, särskilt bildskärpan, kontrast och ljusstyrka av exponeringsfältet.
      3. Före fyllning mätgapet med silverpasta, blanda provet i dess behållare för att säkerställa pastan homogent blandade. Efter blandning, fylla gapet mätning med pasta.
      4. Ta en liten mängd (28,3 | il) av det blandade pastan att tillämpa den på den nedre kolven. Ta upper kolven till lägesinmätande (mätning spalthöjd h = 1 mm) och rensa upp i överskott av prov från kanten av geometrin.
      5. Starta mätanordningen och inspelningarna av filamentet deformation samtidigt.
      6. Upprepa mätningen tre gånger. För varje mätning, rengör mäta gapet med etanol och upprepa steg 3.1.1.3 - 3.1.1.5.
      7. Välja den första bilden som visar filamentbrott att utvärdera kolvpositionen x paus vid vilken filamentbrott. Beräkna det kritiska sträckningsförhållandet (x br - x 0) / x 0 = Ax br / x 0. Fastställa denna kvantitet för olika sträckningshastigheter (Figur 16).
  2. Sträckkraft mätning med dragprovaren
    1. För dragprovare experiment använder en kolv med en diameter d = 5 mm. Spela in den resulterande tiosile kraft under sträckning.
      1. Justera mätnings inställningar för sträckningsexperiment. Variera sträckningshastigheter, t ex v = 10 mm s -1, 20 mm s -1, 30 mm s -1, och 40 mm s -1 och mäta förändringen i sträckningskraften med en 50 N belastningscell. Ställa den initiala spalthöjd h till h = 1 mm och slutpositionen till h slutet = 12 mm.
      2. Före fyllning mätgapet med silverpasta, blanda provet i dess behållare för att säkerställa pastan homogent blandade.
      3. Applicera pastan på bottenplattan av dragprovare. Föra den övre plattan till mätpositionen och rensa upp överskott av prov från kanten av geometrin.
      4. Starta mätanordningen och inspelningarna av filamentet töjning samtidigt.
      5. Upprepa mätningen tre gånger. För varje mätning rengöra mätgapet och upprepa steg 3.2.1.2 - 3.2.1.4.
      6. Från F vs. [6; x uppgifter den maximala kraften F max detekteras under utsträckning och sträckningsförhållandet vid brott Ax br / x 0 erhålles såsom visas i figur 17 (a). Plot Ax br / x 0 vs. de olika sträckningshastigheter (figur 17 (a)). Plot Fmax vs. sträckningshastighet (figur 17 (b)).

Representative Results

Viskositeten är en nyckelparameter i fluidbearbetning och för flerfasiga fluider dess beroende av skjuvhastighet bestäms ofta med användning av parallella plattor rotations reometri. För högkoncentrerade suspensioner detta är varken en rättfram och inte heller en trivial uppgift och definitionen av en lämplig mätanprotokoll kan vara utmanande. Här visas hur högkoncentrerade silver pastor kan reologiskt känne kombinerar rotations reometri och videoinspelningar. En robust försöksprotokoll för bestämning av konstant skjuvning viskositeten är etablerad och den åtkomliga skjuvhastighetsintervallet bestäms. Figur 1 representerar en översikt av skenbar viskositet och skenbar skjuvspänning vs den applicerade skenbar skjuvhastighet för pasta B. Mätningen görs med en platta grovhet av R q = till 2 - 4 | j, m. Utskärningar från videoinspelningar tillåta uppdelning av den erhållna flödeskurvan i tresektioner. I avsnitt en vägg slip dominerar. Den övre plattan glider utan pasta deformation. I detta avsnitt skjuvspänningen är konstant. Pasta deformation sätter in vid Ekvation min, app = 0,07 s -1 märkning uppkomsten av sektion två. Samtidigt börjar skjuvspänningen att öka. Deformationen av pastan och ökningen stressen monotont tills avsnitt tre nås. Vid en kritisk skjuvhastighet eller vinkelhastighet pastan kryper ut ur gapet och samtidigt skenbar viskositet och skjuvspänning droppe starkt på grund av provspill. I enlighet därmed, viskositeten och skjuvspänningen kurvor uppvisar en karakteristisk kink som inträffar vid omkring
Ekvation max, app = 2,5 s-1. Detta Ekvation max, markerar appen uppkomsten avprov spill. Ju högre skjuvhastigheten desto snabbare pastan matas ut. Viskositeten hos pastan är tillgänglig endast i skjuvhastighetsintervallet vid Ekvation min, app < Ekvation app < Ekvation max, app. Emellertid, eftersom deformationen inuti gapet inte är känt och a priori får inte vara samma som observerades vid fälgen de viskositetsdata även i att nominell skjuvhastighet intervall måste behandlas som de skenbara värdena. Skjuvspänningen τ appen vid kanten av plattan r max beräknas från det applicerade vridmomentet T på följande sätt
τ app = T (2π rmax 3) -1 [3 + d (ln t) / d (ln Ekvation app)]. Den skenbara skjuvhastigheten Ekvationapp vid kanten av plattan beräknas från vinkelhastigheten Ω av plattan och den spalthöjd h enligt Ekvation app = Ω (r max / h) 34. Eftersom den sanna deformation och spänningar inne i gapet inte är kända dessa beräknade stress och skjuvning hastighetsvärden måste behandlas som skenbara eller nominella värden.

I mjuk materia ofta en kritisk påkänning, det så kallade sträckgräns τ y, app, påträffas, vid vilken en övergång från ett elastiskt reversibel deformation till irreversibel flödet observeras. Denna sträckgräns är en nyckelfaktor i pastaformulering avseende klassisk screentryck samt framväxande additiv tillverkningstekniker. En hög flytspänning är önskvärt att säkerställa formnoggrannhet efter utskrift. I allmänhet, är den flytspänningbestämdes från kink i deformation kontra skjuvspänning kurva med användning tangentskärningsmetoden som exemplariskt visas i Figur 2. Ofta sker detta med hjälp av en så kallad vinggeometrin garanterar pålitliga och betydande resultat utan effekten av slip 35, 36. Mätning av sträckgränsen med parallellplattgeometri är ett annat alternativ som måste noggrant valideras. Vägg slip eller skjuvning banding fenomen ofta observeras i högfyllda suspensioner kan störa utvärderingen flytspänning. Därför är effekten av plattan grovhet på τ y, app bestämning undersöktes. Resultaten för de flytspänning värden som erhölls för pasta A och B i spänningssvep experiment vid olika platt ytråhet visas i Figur 3. Öka plattan grovhet orsakar en ökning av beräknade flytspänning, medan variationen i spalthöjd h inte påverkar Determination av denna kvantitet. Figur 4 visar utskärningar av videon tas för pasta A vid en platta grovhet av R q = 1,15 um och en spalthöjd av h = 1 mm. Sotpartiklar placerades på prov fälgen som en markör och endoskopisk videoavbildning användes för att karakterisera deformation vid provets kant. Pastan glider på bottenplattan vid spänningar upp till t app = 600 Pa, medan det håller sig till den övre plattan. Ett pluggflöde bildas i gapet mätning, dvs provet inte deformeras och bestämningen av en flytspänning eller viskositeten är meningslöst även om en kink i den motsvarande skenbar deformation kontra skjuvspänning kurvan verkar antyda en övergång från elastisk deformation till visköst flöde. Liknande beteende erhålles för andra spalthöjder för pasta A samt pasta B. Så en platta grovhet av R q = 1,15 | im är inte lämpligt för bestämning av flytspänningen eller viscosity av sådana starkt fyllda silverpastor. I motsats, till en platta grovhet R q = till 2 - 4 | j, m (som anges av tillverkaren) videoavbildnings bekräftar bildningen av en skjuvdeformation profil vid fälgen (fig 5) som är nödvändig för en pålitlig och väldefinierad reologisk mätning. Pluggflöde undviks och för pasta En enhetlig flöde sätter in vid τ app = 1360 Pa. Liknande flödesbeteende observerades för pasta B. Så detta val av platt grovhet möjliggör en tillförlitlig flytspänning mätning. Att välja en högre platt ytråhet R q = 9 um resulterar i högre utbyte spänningsvärden än som erhölls för plattan grovhet R q = 1,15 ^ m och Rq = till 2 - 4 | j, m. Denna effekt är mycket mer uttalad för pasta A än för pasta B. videoinspelningar visar att ingen skjuvning profil är utformad med pasta A under denna mätning (figur 6). Vid en belastning τ app = 1880 Pa den övre plate börjar röra sig utan pasta deformation. En spänning av τ app = 2605 Pa orsakar glidning av pastan på bottenplattan fortfarande utan pasta deformation. Den kritiska spänning som motsvarar den kink i deformationen vs spänningskurvan inte markerar övergången från elastisk till viskös deformation, dvs det är inte den sträckgräns. Istället markerar uppkomsten av halka och pluggflöde och måste betraktas som kritisk slip stressen τ halka. I motsats, kunde ingen pluggflöde observerades för pasta B med användning av R q = 9 ^ m platta (Figur 7). Deformationen av pastan börjar vid τ app = 1430 Pa och är fullt utvecklad vid τ app = 1597 Pa. Vid högre skjuvspänning (τ app = 1880 Pa) skjuvning banding inträffar, dvs endast ett mellanliggande smal skikt av provet skjuvas. Flytspänningen erhålles från deformationen vs spännings data med R q = till 2 - 4 pm i fallet med pasta B, men det är meningslöst att använda denna grova platta för τ y, app bestämning av pasta A. Till dubbelkolla parallella plattor Rq = 2 - 4 | j, m resultat, sträckgränsen mättes också med skoveln geometri. Denna geometri är i sig inte påverkas av väggglideffekter och uppkomsten av snabba skovelns rotation vid en viss anbringad spänning är entydigt relaterad till den strukturella nedbrytningen inom pastan i den cylindriska plan som definieras av diametern av skoveln 35, 36. Figur 8 visar att de resultat som erhölls med användning av vinggeometrin överens mycket bra med de som erhållits från parallella plattor reometri med R q = till 2 - 4 | j, m. Baserat på de resultat som presenteras ovan var alla ytterligare experiment utfördes med användning av en platta med grovhet R q = 2 - & #160; 4 ^ m med undantag av de hastighetsmätningar vägg slip. Plattorna med grovhet R q = 1,15 ^ m och Rq = 9 ^ m kan inte rekommenderas för sträckgränsen och viskositeten bestämning av silver pastor eller andra starkt fyllda suspensioner liknande dem som undersökts här. Slutligen anges det att sträckgränsen av pasta A är högre än den hos pasta B.

Wall slip är en annan viktig parameter för en framgångsrik utskrift. Ju högre väggen slip, desto bättre pastan strömmar genom skärmen masköppningarna 32. Väggen glidhastighet, dvs. den relativa hastigheten av den rörliga plattan och den intilliggande pastaskiktet, kan utvärderas direkt från videoupptagningar oavsett pluggflöde eller skjuvdeformation som råder i spalten. En slät övre plattan och en grov bottenplatta måste användas när man utför dessa experiment 25 27, 28, 30. Om provet i gapet är i vila, är glidhastighet direkt ges av hastigheten på den övre plattan. Figur 9 visar väggen slip velocity vs skjuvspänning som fastställs enligt denna sistnämnda betingelser med användning av en platta med R q = 1,15 ^ m. Glida tydligt sker vid spänningar långt under sträckgränsen lika som observerats för koncentrerade emulsioner och pastor av mjuka mikrogelpartiklar 28, 29, 30. För pasta A, är högre väggglidhastigheter erhålles än för pastan B oberoende av pålagd spänning. I båda fallen, slip hastigheten ökar linjärt med pålagd spänning. Emellertid, är den erhållna lutningen m A = 0,33 ^ m (Pa s) -1 för pasta En nästan tre gånger högre än lutningen m B = 0,12 μm (Pa s) -1 erhölls för pasta B. Liknande såsom observerats tidigare 28, 29, 30, en karakteristisk glidhastighet V * vid omkring en spänningsnivå som motsvarar sträckgränsen hittas och ovanför τ y slip är knappast mätbara. För pasta A och B, V A * = 0,37 mm s -1 och V B * = 0,11 mm s -1, respektive.

Provet spillover tillskrivs den starka centrifugalkraften som verkar på de mikrometerstorlek partiklar med hög densitet och bör därför styras av vinkel- eller rotationshastigheten n crit vid vilken centrifugalkraften dominerar över viskös friktion. För att testa detta, var mätgapet höjden h ökade från 0,2 mm till 2 mm. Intensiteten av prov spridningseffekter ökar med spalthöjd h och skjuvhastighet. Den bredare spalthöjden de tidigare prov spill uppsättningari, dvs. Ekvation krit är lägre (figur 10). Figur 11 visar att provet spill sätter in vid en kritisk vinkelhastighet n krit oberoende av provhöjd h mellan 0,5 mm och 2 mm. För pasta A, är den kritiska rotationshastigheten n krit, A ≈ 0,6 min -1 och för pasta B är det n krit, B ≈ 1,7 min -1. Konstaterandet n krit, A <n krit, kan B vara på grund av olika fordons viskositet eller på grund av varierande silverpartikelstorlek. Emellertid båda pastor uppvisar mycket högre n Crit värden för en mätanspalthöjd h = 0,2 mm. Således minskar spalthöjden möjliggör en bredare skjuvningshastighet intervall i vilket viskositetsbestämning är möjlig. Skälet för de höga n Crit funna värdena för h = 0,2 mm är ännu inte klart. Detta kan bero på att ett starkare bidrag från ytan tiosionen vid prov kant eller på grund av bildningen av aggregat täpper den smala spalten. Ytterligare undersökningar är nödvändiga för att klargöra det. Figur 10 bekräftar vidare att för Ekvation app = 0,07 s -1 - 2,5 s -1 de skenbara viskositets data erhållna vid olika spalthöjder inte varierar systematiskt, är dvs vägg slip försumbar under dessa experimentella betingelser. Varierande skjuvhastigheten från hög till låg eller från låg till höga värden ger samma viskositetsdata så länge som n krit inte överskrids, dvs ingen spill äger rum, dvs det finns inga tecken på irreversibel strukturförändringen i provet.

En kapillärreometer används för att bestämma pastans viskositet speciellt vid processorienterade hög skjuvhastigheter. Den Weissenberg-Rabinowitsch korrigering för icke-paraboliska hastighetsprofil is gjort här för att få den sanna skjuvhastigheten i fråga om icke-newtonska vätskor 34. Förlusten entré trycket är försumbar på grund av den höga L / d-förhållande >> 1, men förekomsten av väggen slip har inte undersökts i detta fall och därför data som måste behandlas som värden Skenbar viskositet. Figur 12 visar den skenbara viskositeten för både pastor A och B bestämdes med parallella plattor rotations reometri och kapillär reometri. Anmärkningsvärt, de data som erhållits från både experimentella tekniker verkar överens mycket bra för både pastor tyder på att väggen slip är av mindre betydelse i kapillär reometri mätningar som utförs här. Slutligen, pasta A och B uppvisar liknande skenbar viskositet vid låga skjuvhastigheter men viskositeten för pastan A är högre än den hos pasta B i regimen hög skjuvning.

Konstant skjuvning mätningar med användning av parallell-plattrotations reometrar måste vara utför litenMed noggrant och kan störas av vägg slip, skjuvning banding eller provspill såsom diskuterades ingående ovan. Därför, med hjälp oscillerande skjuvning experiment har föreslagits för att karakterisera struktur nedbrytning och återvinning av silverpastor under screentryckningsprocess. Detta görs i en trestegs oscillerande testet såsom föreslås av Hoornstra, Zhou och Thibert 10, 15, 21. Först, har en amplitud svep som skall utföras för att bestämma de linjära och icke-linjära regimen svar vid en förvald frekvens (Figur 13). Det linjära viskoelastiska regimen utmärker sig genom konstant, Ekvation -oberoende modulvärden och G'> G ''. Sönderfallet av lagringsmodulen G' i stort Ekvation väljs som ett kriterium för att identifiera uppkomsten av den icke-linära svar regim. Den karakteristiska deformation amplitud Ekvation c som markerar övergången från linjära till icke-linjär respons definieras som amplituden vid vilken G 'har minskat till 80% av dess genomsnittliga initiala värdet G' 0 i den linjära regimen: G '( Ekvation c) = 0,8 G' 0. I steg I och III av testet, en liten svängning amplitud inom det linjära regimen viskoelastiska respons, dvs. Ekvation < Ekvation c väljs för att karaktärisera resten strukturen av pastan (steg I) såväl som tidsberoendet och grad av återhämtning i steg III av testet efter förstörelsen av den ursprungliga strukturen på grund av en hög deformation amplitud appliceras i steg II. figur 14visar motsvarande resultat för pasta B. I steg I, är pastan deformeras vid Ekvation = 0,025% och G' är högre än G '', dvs den elastiska uppträdandet hos pastan är dominerande. När deformationen ökar i steg II, G '' är högre än G' säkerställa den strukturella nedbrytningen i pastan under denna period av stor deformation. Steg III simulerar vilande av fingerlinjerna på substratet efter tryckning. I detta steg G 'är högre än G '' igen, men G' och även G '' båda är lägre än respektive initiala G' och G '' värden innan pastan strukturen förstördes. De videoinspelningar bekräftar att detta inte är relaterad till effekter som vägg slip, pluggflöde eller prov spill. Pastan deformeras likformigt under oscillerande skjuvning, fastnar på plattan, och indikerar varken väggen slip eller provspill. Därför kan man dra slutsatsen att den ofullständigaåtervinning av skärmoduler indikerar en irreversibel strukturförändringen i provet på grund av att den pålagda stor amplitud skjuvning i steg II. De data som visas i figur 15 (a) visar att graden av irreversibel strukturförändringar inte beror på varaktigheten av stor deformation amplituden oscillerande skjuvning appliceras i steg II. Resultaten i stadium III inte variera för olika perioder av klippning tiden t II. Emellertid, har värdet för den valda deformationen amplitud i steg II en stark inverkan på den grad av strukturell återhämtning. Detta är uppenbart från figur 15 (b) visar skillnaden mellan lagringsmodulvärden som bestäms i steg III och jag AG 'normaliserad av initialmodul värdet G' I. För Ekvation > 20%, dvs vid deformationer motsvarande den crossover av G' och G ''(se figur 13) pasta B återvinner endast 30% av sitt ursprungliga värde och klistra in A endast 10%. Detta anses vara en pasta egenskap avgörande för olika beläggningsoperationer och dess beroende av pastans sammansättning kommer att behandlas i det fortsatta arbetet. Notera, den strukturella återhämtning omedelbart efter upphörande av stor amplitud oscillerande skjuvning i steg II skulle vara av största betydelse speciellt för screentryckprocessen men det kommersiella reometern som används här tillåter inte för bestämning av tillförlitliga data i den första sekunden efter byte Ekvation .

Glöd sträcker experiment har utförts för att simulera snap-off under screentryck. Det snap-off tillhör det sista steget i screentryck. Figur 16 visar att de filamentlängder vid brott ökar med ökande sträckningshastighet för både pastes. Brott inträffar alltid vid lägre sträckförhållande (x br - x 0) / x 0 = Ax br / x 0 för pasta B än för pastan A, men denna skillnad verkar minska något med ökande sträckningshastighet. Eftersom filamentbrott av pasta B sker vid ett lägre sträckförhållande denna pasta kan ha bättre snap-off egenskaper.

De resultat som erhållits med den kapillära upplösning töjningsflöde reometer avbildning installationen bekräftas av dragprovaren experiment. Motsvarande resultat visas i Figur 17. Igen sträckningsförhållandet vid vilken filamenten bryta ökar med ökande sträckningshastighet (figur 17 (a)) och pasta B raster vid lägre Ax BR / x 0 värden än pasta A. Emellertid, de absoluta värdena Ax br / x 0 som erhållits med den kapillär öppna inte elongatiOnal reometer är alltid högre än motsvarande värden som erhålls med dragprovaren. Detta tillskrivs de olika platt diametrar D = 6 mm och d = 5 mm, dvs. olika initiala provvolymer för kapillären uppbrytning töjningsflöde reometer och dragprovare. Slutligen dragprovaren ger också en andra karakteristisk parameter den maximala kraft Fmax som verkar på glödtråden under sträckning. Denna kvantitet ökar också linjärt med ökande separationshastighet men i detta fall de värden som erhållits för pasta B är större än de för pasta A. Ytterligare undersökningar kommer att behövas för att avslöja relevansen av Fmax för screentryckningsprocess eller andra beläggningsoperationer.

Figur 1
Figur 1. Skenbar viskositet i kontrollerad skjuvhastighet parallella plattor rotations reometri. Översikt över resulting skenbar viskositet och skjuvspänning mätt i kontrollerad skjuvhastighet-läge med en parallell-platt reometer (kort: PP), plattan grovhet R q = till 2 - 4 um och spalthöjd h = 1 mm. Klassificering av skenbar skjuvhastighet i tre avsnitt baserat på videoinspelningar under mätningen. Wall slip, klistra deformation och prov spill är markerade i videoinspelnings utskärningar. Pasta B väljs som exempel här, men liknande resultat erhölls för pasta A. Felstaplarna beräknas som standardavvikelsen erhålls från åtminstone tre oberoende mätningar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 2
Figur 2. Applicering av tangentskärningspunktsmetoden för sträckgränsen bestämning. Deformations- γ, dvs förskjutningen av den övre plattan dividerad med spalthöjden, plottas mot den pålagda nominella skjuvspänningen τ app. Skjuvspänningen kontrollerad mätning görs med en platta grovhet R q = till 2 - 4 pm och en spalthöjd h = 1 mm. Klistra B väljs som exempel här, men liknande resultat erhölls för pasta A. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 3
Figur 3. Effekt av platt grovhet på sträckgräns. Den resulterande sträckgräns för olika platt grovhet R q = 1,15 um, Rq = till 2 - 4 | j, m och R q = 9 um vs. spalthöjden h. Resultat beror på plattan roughness Rq och är oberoende av variation av höjden mätgapet (vänster: klistra in A, höger: pasta B). Felstaplarna beräknas som standardavvikelsen erhålls från åtminstone tre oberoende mätningar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 4
Figur 4. Utskärningar från videoinspelningar vid varierande skjuvspänning. Här med hjälp av exempel av pasta En uppmätt med platt grovhet R q = 1,15 ^ m. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 5
q = till 2 - 4 | j, m. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 6
Figur 6. Utskärningar från videoinspelningar vid varierande skjuvspänning. Här med hjälp av exempel av pasta En uppmätt med platt grovhet R q = 9 um. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 7
Figur 7. Utskärningar från video RECOR dings vid varierande skjuvspänning. Här med hjälp av exempel av pasta B mättes med platt grovhet R q = 9 um. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 8
Figur 8. Resulterande flytspänning. En jämförelse av sträckgränsen för pasta A och B bestämdes med vinggeometrin och R-q = till 2 - 4 | j, m parallell-plattgeometri. Felstaplarna beräknas som standardavvikelsen erhålls från åtminstone tre oberoende mätningar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

pload / 55.377 / 55377fig9.jpg"/>
Figur 9. Beroende av vägg halka på skjuvspänning. Vägg glidhastighet v slip kontra skjuvspänning τ för pasta A och B bestämdes med R q = 1,15 ^ m parallella plattor geometri vid spalthöjd h = 1 mm. Den karakteristiska vägg glidhastighet som erhålls vid sträckgränsen hos materialet indikeras som V *. Felstaplarna beräknas som standardavvikelsen erhålls från åtminstone tre oberoende mätningar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 10
Figur 10. Effekt av spalthöjden på provspill. Skenbar viskositet vid varierande mätning spalthöjd h på kontrollerad skjuvhastighet läge för pasta B och plattan grovhet R q = till 2 - 4um. Spalthöjden varieras mellan h = 0,2 mm och h = 2,0 mm. Nedåt kink av viskositetskurva sätter in vid högre skjuvhastigheter när en lägre spalthöjden väljs. Spalthöjden varieras mellan h = 0,2 mm och h = 2,0 mm. Felstaplarna beräknas som standardavvikelsen erhålls från åtminstone tre oberoende mätningar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 11
Figur 11. Den kritiska rotationshastighet vid vilken prov spill sätter i Rotationshastighet n crit vid vilken den nedåtgående kink av kurvan viskositet sätter i vs. spalthöjd h med användning av parallella plattor geometri med Rq = till 2 - 4 | j, m (vänster.: klistra A, höger: pasta B). Provspillover sätter in på denna characteristic varvtal vilket bekräftas av videoinspelningar. För pastan A Prov spill sätter in vid n krit, A = 0,6 min -1 och för pasta B vid n krit, B = 1,7 min -1 för spalthöjd h ≥ 0,5 mm. Felstaplarna beräknas som standardavvikelsen erhålls från åtminstone tre oberoende mätningar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 12
Figur 12. Viskositet i ett brett skjuvhastighetsområde. Synbar viskositet av pasta A och B bestämdes i ett brett skjuvhastighetsområde använder parallella plattor rotations reometri (spalthöjd h = 0,2 mm och h = 1 mm; Rq = till 2 - 4 | j, m) och kapillär reometri (d = 0,5 mm och L = 40 mm). Felstavarna beräknas som standar d avvikelse erhålls från åtminstone tre oberoende mätningar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 13
Figur 13. Bestämning av den linjära och icke-linjära regimen svar i oscillerande skjuvning. Amplitud sveptest för pasta B: G', G '' vs. deformation amplitud Ekvation vid fast frekvens f = 1 Hz. Testet utfördes med användning av en rotations reometer utrustad med parallellplattgeometri (Rq = till 2 - 4 um, spalthöjd h = 1 mm). Felstaplarna beräknas som standardavvikelsen erhålls från åtminstone tre oberoende mätningar.large.jpg" target = '_ blank'> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 14
Figur 14. Trestegs strukturella återhämtningstest. Trestegs strukturella återhämtningstest för pasta B utförs vid konstant frekvens f = 1 Hz med en parallell-plattrotations reometer (platt grovhet R q = till 2 - 4 | j, m). Den applicerade deformationen amplitud Ekvation i steg I är 0,025%, i steg II Ekvation = 80% och i steg III Ekvation = 0,025%. Videoinspelningar bekräftar homogent prov deformation under hela gapet, ingen vägg slip, skjuvning banding, pluggflöde eller prov spill inträffar. Felstaplarna beräknas som standardavvikelsen erhålls från åtminstone treoberoende mätningar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 15
Figur 15. Strukturåterhämtningstest. (A) Effekt av skjuvning tid på strukturell återhämtning. Struktur återhämtning av pasta B för Ekvation II = 80% och olika varaktighet av steg II, t II = 50 s, 150 s och 600 s. (B) Effekt av deformation amplitud på strukturell återhämtning. Relativ irreversibel strukturomvandling
(G '(t → ∞) - G' (t = 0)) / G '(t = 0) = AG' / G' I som en funktion av deformation amplitud Ekvation anbringas i steg II av de tre staGE strukturella återhämtningstest bestämdes för pasta A och B vid konstant t II = 150 s. Felstaplarna beräknas som standardavvikelsen erhålls från åtminstone tre oberoende mätningar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 16
Figur 16. Optisk bestämning av filamentbrott i töjningsflöde deformation. Kritisk dragsträckförhållande vid vilket filamentbrott inträffar för pastor A och B vid olika sträckningshastigheter som erhölls med användning av kapillär upplösning töjningsflöde reometer (initial spalthöjden h = 1 mm). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 17
Figur 17. Dragprovning - axiell kraft under töjningsflöde deformation. Resulterande Ax br / x 0 (a) och resulterande kraften Fmax (b) vs. sträckningshastighet erhölls för pasta A och B med dragprovaren. Den initiala spalthöjd är h = 1 mm och kolvdiameter d = 5 mm. Insatsen visar råkraften F vs. stretch förhållandedata för pasta B erhållen vid v = 30 mm s -1 för att demonstrera att bestämma Fmax och Ax br. Felstaplarna beräknas som standardavvikelsen erhålls från åtminstone tre oberoende mätningar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.


Tabell 1. Översikt över tillämpade metoder, motsvarande egenskapsinformation och skillnader mellan specifika flödesegenskaper hos pasta A och B. Klicka här för en större version av denna tabell.

Discussion

En omfattande reologisk karakterisering av högkoncentrerade suspensioner eller pastor är obligatoriskt för en målinriktad produktutveckling möte de många krav under bearbetning och tillämpning av sådana komplexa vätskor. Denna undersökning innefattar bestämningen av sträckgräns, viskositet, vägg glidhastighet, strukturell återhämtning efter stor deformation och brottöjning såväl som dragkraften under filamentsträckning. En sammanfattning av alla tillämpas metoder, erhållna informationen, och klistra egenskaper sammanfattas i tabell 1.

Vikten av videoinspelningar för tillförlitlig bestämning av reologiska kvantiteter av högfyllda suspensioner som visar vägg slip, skjuvning bandning och provspillover i parallella plattor rotations reometri demonstreras. Videoinspelningar möjliggöra bestämningen av den verkliga deformationen profil och flödesfältet vid prov fälgen med användning av lämpliga markörer. Det är necessari att studera denna deformation beteende innan analysera resultaten av reologiska experiment. Sålunda mätningsparameterinställningar och plattojämnhetsvärden kan identifieras för vilket viskositetsmätningar är möjliga. Pastan sträckgränsen kan bestämmas antingen med hjälp av en ving geometri eller platt platta geometri med lämplig råhet.

Viskositet bestämning är möjlig med användning av plattplattgeometri endast med en noga utvald platta grovhet beroende på provets sammansättning. Högre strävhet inte nödvändigtvis resulterar i lägre väggen slip. Skjuvningshastigheten eller skjuvspänning intervall i vilket viskositetsbestämning kan ske begränsas av sträckgränsen och uppkomsten av provspill.

Vidare kan glidhastighet mätas direkt och mätförhållanden vid vilka pluggflöde, skjuvning banding eller prov spridningseffekter uppstår kan identifieras tydligt. För vägg slip mätningar släta ytor användes som den övre skjuvning plate och en grov bottenplatta för att medge glidning endast vid den övre plattan. Denna glidhastighet kan beräknas direkt från vinkelhastigheten hos den övre plattan. För båda pastor slip inträffar vid spänningsnivåer långt under sträck stress. Liknande observationer har rapporterats för suspensioner av glaspärlor 25, lersuspensioner 27, mjuka mikrogel pastor samt för emulsioner 28, 29, 30. Här en linjär ökning av v slip med τ app hittas. Detta är i linje med de observationer av Aral et al. 25 som också bestäms v slip användning visualisering av flödesfältet vid kanten av de undersökta glaspärlor suspensioner.

Seth et al. har visat att skalningen av glidhastighet med pålagd spänning styrs av samspelet mellan den mjuka particles de använde i sin studie och väggen. För det fall där det inte finns någon specifik vidhäftning av partiklar på väggen, de också ett linjärt förhållande mellan v slip och stress, men en kvadratisk skalning hittades för partiklarna svagt ansluter sig till väggen 28, 29, 30. Studierna av mjuka partikel pastor avslöjar också en karakteristisk glidhastighet V * vid sträckgränsen och en elastohydrodynamiska modellen presenteras 29 gör det möjligt att beräkna V * från fysisk vätske- och partikelparametrar som kan bestämmas oberoende av varandra: V * ~ γ y 2 (G 0 R / η s) (G P / G 0) 1/3. Denna karakteristiska glidhastighet beror på de pastor ge stammen γ y och elasticitetsmodul G 0, lösningsmedelsviskositet η s, såväl som particle radien R och modul G P. De värden som resulterar från denna enkla uppskattning (V A * = 375 ^ m s -1 och V B * = 118 ^ m s -1) överens mycket bra med de experimentella resultaten (Figur 9), inte bara med avseende på storleksordning, utan också om skillnaden mellan pasta A och B.

Prov spill observeras här på ett kritiskt varvtal karakteristiska för varje pasta. Spill inte förekommer i de rena fordon. Detta fenomen begränsar reologisk karakterisering av pastorna och kan också vara relevant för vissa bearbetnings eller beläggningsoperationer men dess fysiska ursprung fortfarande olöst.

Videoinspelningar indikerar vidare att vägg slip, pluggflöde och kan uteslutas provspill under oscillerande skjuvning tester. Därför, minskningen och ökningen i skjuvmodulerna observeras under tre scen oscillerande skjuvning tester med small svängningsamplituden i steg I och III samt stor deformation amplitud Ekvation > Ekvation c kan direkt hänföras till strukturell nedbrytning och återvinning. Det kunde visas att graden av irreversibel strukturförändringar under oscillerande skjuvning ökar med ökande deformation amplitud i steg II tills en mättnad nås vid deformationer motsvarande den crossover av G' och G '' i amplituden sveptest, men den irreversibla skador är oberoende av varaktigheten av hög amplitud skjuvning i steg II. Förändringen i modul och därmed prov struktur på grund av stor skjuvning deformation i steg II benämns irreversibel här sedan efter väntar tider av mer än 10 4 s, är lagringsmodulen betydligt lägre än dess ursprungliga värdet (data ej visade). De data som visas i fig 15 är begränsade till vänttider av 1500 s för tydlighetens skull. Det bör dock noteras att tidsskalan för utskriftsprocessen är i storleksordningen sekunder eller till och med nedanför. Detta är inte tillgängliga med den konventionella rotations reometern installation som används i denna studie.

Spalthöjder används i denna studie är också mycket större än typiska masköppningar i screentryck av moderna tryckt elektronik. Reologiska mätningar med användning av plattplattgeometrin kan inte ske på så små spaltöppningarna på grund av begränsningar av mekanisk justering för stora plattor som typiskt används i reologiska mätningar. Vidare har stora gap separationer valts här för att underlätta visualisering av provet deformation vid fälgen.

Filament stretching tester med användning av en kapillär upplösning töjningsflöde reometer och en dragprovare kan användas för att karakterisera den deformation och upplösningen beteende högfyllda pastor i töjningsflöde flöden. Töjningen vid brott och maximal kraft under töjning är parametrar som erhållits från dessa tester och kan vara relaterad till rakel snap-off under screentryck.

Slutligen signifikanta skillnader observerades i alla de experiment som beskrivs ovan för de två kommersiella silver pastor undersökts i denna studie. En utökad diskussion om betydelsen av de reologiska klistra egenskaper för deras resultat kommer att behandlas i ett senare papper baserat på data för ett brett utbud av olika pastor och fordon.

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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics