مواد لاصقة موصلة نانوية للإلكترونيات عالية الأداء
تُستخدم أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية بوصفها تقنية موثوقة للخلط والطحن في إنتاج مواد لاصقة عالية الأداء للإلكترونيات عالية الأداء والإلكترونيات النانوية. وفي إنتاج الإلكترونيات عالية الأداء، يزداد الطلب على المواد اللاصقة مثل المواد اللاصقة الموصلة النانوية. وتُستخدم هذه المواد اللاصقة عالية الأداء، على سبيل المثال، كوصلات بينية بديلة، ويمكن أن تحل محل لحام القصدير/الرصاص.
مواد لاصقة عالية الأداء للإلكترونيات عالية الأداء
يتطلب إنتاج الإلكترونيات عالية الأداء مواد لاصقة ذات قدرة عالية على الالتصاق بالمعادن وموصلية حرارية للفصل الحراري والعزل. وكثيرًا ما تُدمج جسيمات نانوية مثل الفضة والنيكل والغرافين وأكسيد الغرافين والأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) في راتنجات الإيبوكسي والبوليمرات للحصول على الخصائص الوظيفية المطلوبة، مثل الموصلية الكهربائية أو العزل، والموصلية الحرارية، ومقاومة الشد، ومعامل يونغ، والمرونة. وتستخدم المواد اللاصقة عالية الأداء المطورة للإلكترونيات عالية الأداء مواد مالئة معدنية، مثل الجسيمات النانوية من الفضة أو الذهب أو النيكل أو النحاس، لتوفير الموصلية الكهربائية. ولإظهار الخصائص الاستثنائية لهذه المواد، يجب تقليل أحجامها إلى المقياس النانوي. ونظرًا إلى أن تقليل أحجام الجسيمات النانوية وتشتيتها مهمة صعبة، فإن تقنية قوية للطحن والتشتيت تُعد عاملًا أساسيًا لنجاح تركيبات المواد اللاصقة.
- المواد اللاصقة الموصلة كهربائيًا (ECA)
- – المواد اللاصقة الموصلة بالتساوي في جميع الاتجاهات (ICA)
- – المواد اللاصقة ذات الموصلية المتباينة حسب الاتجاه (ACA)
- المواد اللاصقة غير الموصلة / العازلة كهربائيًا
تركيب صناعي لأجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية (2x UIP1000hdT) لمعالجة الجسيمات النانوية والأنابيب النانوية بنمط مستمر ضمن خط الإنتاج.
يوفر التشتيت بالموجات فوق الصوتية مزايا متنوعة مقارنة بتقنيات الخلط والطحن التقليدية. وبفضل موثوقية المعالجة بالموجات فوق الصوتية وفعاليتها، أصبحت تقنية راسخة في معالجة المواد النانوية، وتُستخدم في جميع الصناعات التي تُصنَّع فيها الجسيمات النانوية و/أو تُدمج في السوائل. ولذلك تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية التقنية المثالية لإنتاج مواد لاصقة موصلة نانوية تحتوي على مواد مالئة نانوية، مثل الجسيمات النانوية أو الأسلاك النانوية أو الأنابيب النانوية الكربونية والطبقات الأحادية من الغرافين (الصفائح النانوية).
المواد اللاصقة الموصلة كهربائيًا (ECAs): من الأمثلة البارزة تحضير تركيبات المواد اللاصقة الموصلة كهربائيًا (ECAs)، وهي مواد مركبة تتكون من مصفوفة بوليمرية ومواد مالئة موصلة كهربائيًا. ولتحضير مادة لاصقة عالية الأداء للتطبيقات الإلكترونية، يجب أن يوفر الراتنج البوليمري، مثل الإيبوكسي أو السيليكون أو البولي إيميد، وظائف فيزيائية وميكانيكية مثل الالتصاق والمقاومة الميكانيكية ومقاومة الصدمات، بينما توفر المادة المالئة المعدنية، مثل الفضة النانوية أو الذهب النانوي أو النيكل النانوي أو النحاس النانوي، موصلية كهربائية فائقة. أما المواد اللاصقة ذات الخصائص العازلة، فتُدمج فيها مواد مالئة قائمة على المعادن ضمن المادة اللاصقة المركبة.
قبل المعالجة بالموجات فوق الصوتية وبعدها: يوضح المنحنى الأخضر حجم الجسيمات قبل المعالجة بالموجات فوق الصوتية، بينما يوضح المنحنى الأحمر توزيع أحجام جسيمات السيليكا المشتتة بالموجات فوق الصوتية.
تشتيت المواد النانوية في المواد اللاصقة اللزجة بالموجات فوق الصوتية
تتميز المجانسات بالموجات فوق الصوتية بفعالية كبيرة عندما يلزم تقليل أحجام تكتلات الجسيمات وتجمعاتها، وحتى الجسيمات الأولية، على نحو موثوق. وتتمثل ميزة أجهزة الخلط بالموجات فوق الصوتية في قدرتها على طحن الجسيمات إلى أحجام أصغر وأكثر تجانسًا، سواء كان الناتج المستهدف من العملية جسيمات ميكرونية أم نانوية. وبينما تنطوي تقنيات أخرى، مثل أجهزة الخلط ذات الشفرات أو ذات الدوار والعضو الثابت، والمجانسات عالية الضغط، ومطاحن الخرز وغيرها، على عيوب مثل عدم القدرة على إنتاج جسيمات نانوية صغيرة ومتجانسة الحجم، والتلوث بوسائط الطحن، وانسداد الفوهات، وارتفاع استهلاك الطاقة، تعمل أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية وفق مبدأ التجويف الصوتي. وقد ثبت أن التجويف الناتج عن الموجات فوق الصوتية يتميز بفعالية عالية وكفاءة في استخدام الطاقة، وبقدرته على تشتيت حتى المواد شديدة اللزوجة، مثل المعاجين المحملة بالجسيمات النانوية.
جسيمات PLGA النانوية. (A): توزيع أحجام الجسيمات المحضرة عند تركيز البوليمر/قدرة المعالجة بالموجات فوق الصوتية البالغ 2%/ 32W و5%/ 32W و2%/ 25W%؛ زمن المكوث = 14 s. (B),(C): صور بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) للجسيمات المحضرة من محاليل بوليمر بتركيز 2 و5%، على التوالي. زمن المكوث = 14s؛ قدرة المعالجة بالموجات فوق الصوتية = 32W. تمثل أشرطة المقياس 1 ميكرون.
(الدراسة والصور: © Freitas et al., 2006)
كيف يعمل التشتيت بالموجات فوق الصوتية؟
تُسرِّع قوى القص الناتجة عن التجويف والتيارات السائلة الجسيمات فتتصادم مع بعضها بعضًا. ويُعرف ذلك بالتصادم بين الجسيمات. وتعمل الجسيمات نفسها كوسط للطحن، مما يجنب التلوث بخرز الطحن وعملية الفصل اللاحقة اللازمة عند استخدام مطاحن الخرز التقليدية. ونظرًا إلى أن الجسيمات تتحطم بفعل التصادم فيما بينها بسرعات عالية جدًا تصل إلى 280m/sec، فإنها تتعرض لقوى هائلة تؤدي إلى تفتتها إلى أجزاء متناهية الصغر. ويمنح الاحتكاك والتعرية هذه الأجزاء الجسيمية سطحًا مصقولًا وشكلًا منتظمًا. ويمنح الجمع بين قوى القص والتصادم بين الجسيمات التجانس والتشتيت بالموجات فوق الصوتية ميزة تتمثل في إنتاج معلقات ومشتتات غروية عالية التجانس!
ومن الفوائد الأخرى لقوى القص العالية التي تولدها الموجات فوق الصوتية تأثير ترقق القص. فعلى سبيل المثال، تُظهر راتنجات الإيبوكسي المحضرة بالموجات فوق الصوتية والمحملة بأنابيب نانوية كربونية مؤكسدة (CNTs) سلوك ترقق القص. ولأن ترقق القص يخفض لزوجة السائل مؤقتًا، فإنه يسهل معالجة المواد المركبة اللزجة.
تسلسل عالي السرعة من اللقطات (من a إلى f) يوضح التقشير الميكانيكي بالموجات فوق الصوتية لرقاقة غرافيت في الماء باستخدام UP200S، وهو جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية بقدرة 200W مزود بسونوترود بمقاس 3-mm. تُظهر الأسهم موضع الانشقاق (التقشير) حيث تخترق فقاعات التجويف الشق.
(الدراسة والصور:© Tyurnina et al. 2020)
UIP1000hdT – منظومة منضدية بالموجات فوق الصوتية لتحضير المواد المركبة النانوية، على سبيل المثال للمواد اللاصقة عالية الأداء.
- معالجة نانوية فعالة: كفاءة وتوفير للوقت
- قابلية التكيف مع تركيبات منتجات محددة
- معالجة متجانسة
- ظروف عملية يمكن التحكم فيها بدقة
- نتائج قابلة للتكرار
- كفاءة من حيث التكلفة
- تشغيل آمن
- تركيب بسيط وصيانة محدودة
- توسيع خطي للنطاق إلى أي حجم
- صديق للبيئة
مقارنة بين مواد مالئة نانوية مختلفة مشتتة في عامل التصلب (المعالجة بالموجات فوق الصوتية – US): (a) ألياف كربونية نانوية (CNF) بنسبة 0.5 wt%؛ (b) CNToxi بنسبة 0.5 wt%؛ (c) أنابيب نانوية كربونية (CNT) بنسبة 0.5 wt%؛ (d) CNT مشتتة جزئيًا بنسبة 0.5 wt%.
(الدراسة والصورة: © Zanghellini et al., 2021)
أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة لتحضير تركيبات مواد لاصقة عالية الأداء
تتخصص Hielscher Ultrasonics في معدات الموجات فوق الصوتية عالية الأداء لمعالجة السوائل والمعلقات الكثيفة. وتتيح أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية معالجة مواد شديدة اللزوجة، مثل الراتنجات عالية المحتوى من المواد المالئة، وتضمن التوزيع المتجانس للمواد النانوية داخل المواد المركبة.
ويتيح التحكم الدقيق في معلمات عملية المعالجة بالموجات فوق الصوتية، مثل السعة والطاقة المدخلة ودرجة الحرارة والضغط والزمن، ضبط المواد اللاصقة حسب المتطلبات على مقياس النانومتر.
سواء تطلبت تركيبتك تشتيت مواد مالئة نانوية عضوية أم غير عضوية، مثل الأنابيب النانوية أو بلورات السليلوز النانوية (CNCs) أو الألياف النانوية أو المعادن النانوية، فإن Hielscher Ultrasonics توفر المنظومة المثالية بالموجات فوق الصوتية لتركيبة المادة اللاصقة لديك.
يمكن لمعالجات Hielscher Ultrasonics الصناعية بالموجات فوق الصوتية توفير سعات عالية جدًا، وهي قادرة على تفكيك تكتلات المواد النانوية وتشتيتها حتى عند درجات لزوجة عالية جدًا. ويمكن تشغيلها بسهولة وباستمرار بسعات تصل إلى 200µm في نمط تشغيل 24/7.
تشتهر أجهزة Hielscher للمعالجة بالموجات فوق الصوتية بجودتها وموثوقيتها ومتانتها. وشركة Hielscher Ultrasonics حاصلة على شهادة ISO، وتولي اهتمامًا خاصًا لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء التي تتميز بأحدث التقنيات وسهولة الاستخدام. وبالطبع، تتوافق أجهزة Hielscher للمعالجة بالموجات فوق الصوتية مع CE وتلبي متطلبات UL وCSA وRoHs.
يعطيك الجدول أدناه مؤشرًا على سعة المعالجة التقريبية لأجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 1 إلى 500mL | 10 إلى 200mL/min | UP100H |
| 10 إلى 2000mL | 20 إلى 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20L | 0.2 إلى 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100L | 2 إلى 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 إلى 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | أعلى | مجموعة من UIP16000 |
اتصل بنا! / اسألنا!
تصنع Hielscher Ultrasonics مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لتطبيقات الخلط والتشتيت والاستحلاب والاستخلاص على النطاق المختبري والتجريبي والصناعي.
المؤلفات / المراجع
- Zanghellini, B.; Knaack,P.; Schörpf, S.; Semlitsch, K.-H.; Lichtenegger, H.C.; Praher, B.; Omastova, M.; Rennhofer, H. (2021): Solvent-Free Ultrasonic Dispersion of Nanofillers in Epoxy Matrix. Polymers 2021, 13, 308.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
- Aradhana, Ruchi; Mohanty, Smita; Nayak, Sanjay (2019): High performance electrically conductive epoxy/reduced graphene oxide adhesives for electronics packaging applications. Journal of Materials Science: Materials in Electronics 30(4), 2019.
- A. Montazeri, M. Chitsazzadeh (2014): Effect of sonication parameters on the mechanical properties of multi-walled carbon nanotube/epoxy composites. Materials & Design Vol. 56, 2014. 500-508.
تصنع Hielscher Ultrasonics مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء بأحجام تتراوح من الأحجام المختبرية إلى الأحجام الصناعية.