Nano-juhtivad liimid suure jõudlusega elektroonikale

Ultraheli dispergaatoreid kasutatakse usaldusväärse segamis- ja jahvatustehnikana suure jõudlusega liimide tootmisel suure jõudlusega elektroonika ja nanoelektroonika jaoks. Suure jõudlusega elektroonika tootmisel on nõudlus liimide, näiteks nano-juhtivate liimide järele. Selliseid suure jõudlusega liime kasutatakse nt alternatiivsete ühendustena ning need võivad asendada tina/plii jootet.

Suure jõudlusega liimid suure jõudlusega elektroonikale

Suure jõudlusega elektroonika tootmiseks on vaja liime, millel on hea nakkuvus metalliga ning soojusjuhtivus soojuse eraldamiseks ja isolatsiooniks. Nanoosakesi, näiteks hõbedat, niklit, grafeeni, grafeenoksiidi ja süsiniknanotorusid (CNT), lisatakse sageli epoksüvaikudele ja polümeeridele, et saavutada soovitud funktsionaalsed omadused, nagu elektrijuhtivus või isolatsioon, soojusjuhtivus, tõmbetugevus, Youngi moodul ja paindlikkus. Suure jõudlusega elektroonika jaoks välja töötatud suure jõudlusega liimides kasutatakse elektrijuhtivuse tagamiseks metalltäiteaineid (näiteks hõbeda-, kulla-, nikli- või vasenanoosakesi). Nende materjalide erakordsete omaduste avamiseks tuleb nende suurust vähendada nanomõõtmeteni. Kuna nanoosakeste suuruse vähendamine ja dispergeerimine on keeruline ülesanne, on võimas jahvatus- ja dispergeerimistehnoloogia edukate liimiretseptuuride võtmetegur.

Ultraheli dispergeerimisel on traditsiooniliste segamis- ja jahvatustehnikatega võrreldes mitmeid eeliseid. Tänu oma töökindlusele ja tõhususele on ultraheli töötlus (sonikeerimine) kinnistunud nanomaterjalide töötlemisel ning seda leidub igas tööstusharus, kus nanoosakesi sünteesitakse ja/või lisatakse vedelikesse. Ultraheli töötlus on seetõttu ideaalne tehnika selliste nano-juhtivate liimide tootmiseks, mis sisaldavad nanotäiteaineid, näiteks nanoosakesi, nanojuhtmeid või süsiniknanotorusid ja grafeeni monokihte (nanolehti).
ECA-d: Silmapaistev näide on elektrit juhtivate liimide (ECA) retseptuur; need on komposiidid, mis koosnevad polümeersest maatriksist ja elektrit juhtivatest täiteainetest. Elektroonikarakenduste jaoks mõeldud suure jõudlusega liimi koostamiseks peab polümeervaik (nt epoksü, silikoon, polüimiid) tagama füüsikalised ja mehaanilised omadused, nagu nakkuvus, mehaaniline tugevus ja löögitugevus, samal ajal kui metalltäiteaine (nt nanohõbe, nanokuld, nanoniikel või nanovask) tagab suurepärase elektrijuhtivuse. Isoleerivate omadustega liimidele lisatakse liimikomposiiti mineraalpõhiseid täiteaineid.

Enne ja pärast ultraheli töötlust: roheline kõver näitab osakeste suurust enne ultraheli töötlust, punane kõver on ultrahelis dispergeeritud ränidioksiidi osakeste suurusjaotus.

Nanomaterjalide ultraheli dispergeerimine viskoossetes liimides

Ultraheli homogenisaatorid on väga tõhusad, kui osakeste aglomeraate, agregaate ja isegi primaarseid osakesi tuleb usaldusväärselt peenendada. Ultraheli segistite eeliseks on võime jahvatada osakesi väiksemaks ja ühtlasema suurusega, olenemata sellest, kas protsessi tulemusena on sihiks mikroni- või nanoosakesed. Kuigi teistel tehnoloogiatel, nagu labaga või rootor-stator segistid, kõrgsurve-homogenisaatorid, helmesveskid jne, on puudusi, nagu suutmatus toota ühtlaselt väikeseid nanoosakesi, saastumine jahvatuskeskkonnast, ummistunud düüsid ja suur energiatarve, kasutavad ultraheli dispergaatorid akustilise kavitatsiooni tööpõhimõtet. Ultraheli tekitatud kavitatsioon on osutunud väga tõhusaks ja energiasäästlikuks ning suudab dispergeerida isegi väga viskoosseid materjale, näiteks nanoosakestega täidetud pastasid.

Kuidas ultraheli dispergeerimine toimib?

Kavitatsioonilised nihkejõud ja vedelikuvoolud kiirendavad osakesi nii, et need põrkuvad üksteisega. Seda nimetatakse osakestevaheliseks kokkupõrkeks. Osakesed ise toimivad jahvatuskeskkonnana, mis väldib saastumist jahvatushelmestest ja sellele järgnevat eraldamisprotsessi, mis on vajalik tavapäraste helmesveskite kasutamisel. Kuna osakesed purunevad osakestevahelisel kokkupõrkel väga suurel kiirusel, kuni 280m/sec, mõjuvad osakestele erakordselt suured jõud, mistõttu need purunevad pisikesteks fraktsioonideks. Hõõrdumine ja erosioon annavad nendele osakeste fragmentidele poleeritud pinna ja ühtlase kuju. Nihkejõudude ja osakestevahelise kokkupõrke kombinatsioon annab ultraheli homogeniseerimisele ja dispergeerimisele eelise, mis võimaldab saada väga homogeenseid kolloidseid suspensioone ja dispersioone!
Teine ultraheli tekitatud suurte nihkejõudude eelis on nihkeviskoossuse vähenemise (shear-thinning) efekt. Näiteks ultrahelis valmistatud, oksüdeeritud CNT-dega täidetud epoksüvaikudel esineb nihkeviskoossuse vähenemise käitumine. Kuna nihkeviskoossuse vähenemine alandab vedeliku viskoossust ajutiselt, hõlbustab see viskoossete komposiitide töötlemist.

Kiire kaadrite jada (a kuni f), mis illustreerib grafiithelbe sonomehaanilist koorimist (eksfoliatsiooni) vees, kasutades 200W ultraheli seadet UP200S 3-mm sonotroodiga. Nooled näitavad lõhenemiskohta (eksfoliatsiooni), kus kavitatsioonimullid tungivad lõhesse.
(Uuring ja pildid:© Tyurnina et al. 2020)

Hardeneris dispergeeritud erinevate nanotäiteainete võrdlus (ultraheli töötlus – US): (a) 0,5 wt% süsiniknanokiud (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% süsiniknanotoru (CNT); (d) 0,5 wt% CNT poolenisti dispergeeritud.
(Uuring ja pilt: © Zanghellini et al., 2021)

Võimsad ultraheli seadmed suure jõudlusega liimide retseptuuri väljatöötamiseks

Hielscher Ultrasonics on spetsialist suure jõudlusega ultraheliseadmete valdkonnas vedelike ja suspensioonide töötlemiseks. Ultraheli dispergaatorid võimaldavad töödelda väga viskoosseid materjale, näiteks tugevasti täidetud vaikusid, ning tagavad nanomaterjalide ühtlase jaotumise komposiitides.
Ultraheli protsessiparameetrite, nagu amplituud, energiasisend, temperatuur, rõhk ja aeg, täpne juhtimine võimaldab kohandada liime nanomeetri vahemikus.
Olenemata sellest, kas teie retseptuur nõuab orgaaniliste või anorgaaniliste nanotäiteainete, näiteks nanotorude, tselluloosi nanokristallide (CNC), nanokiudude või nanometallide dispergeerimist, on Hielscher Ultrasonicsil teie liimiretseptuuri jaoks ideaalne ultraheli seadistus.
Hielscher Ultrasonicsi tööstuslikud ultraheli protsessorid suudavad tekitada väga suuri amplituude ning on võimelised deaglomeerima ja dispergeerima nanomaterjale isegi väga suure viskoossuse korral. Amplituudidega kuni 200µm saab hõlpsasti töötada pidevalt 24/7 režiimis.
Hielscheri ultraheli seadmed on tuntud oma kvaliteedi, töökindluse ja vastupidavuse poolest. Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifitseeritud ettevõte ning pöörab erilist tähelepanu suure jõudlusega ultraheli seadmetele, mis põhinevad uusimal tehnoloogial ja on kasutajasõbralikud. Loomulikult vastavad Hielscheri ultraheli seadmed CE nõuetele ning UL-i, CSA ja RoHs nõuetele.
Alljärgnev tabel annab ülevaate meie ultraheli seadmete ligikaudsest töötlemisvõimsusest: