דבקים ננו־מוליכים לאלקטרוניקה עתירת ביצועים

מפזרים אולטרסוניים משמשים כטכניקה אמינה לערבוב ולטחינה בייצור דבקים עתירי ביצועים לאלקטרוניקה עתירת ביצועים ולננו־אלקטרוניקה. בייצור אלקטרוניקה עתירת ביצועים יש ביקוש רב לדבקים כגון דבקים ננו־מוליכים. דבקים עתירי ביצועים כאלה משמשים, למשל, כחיבורים חלופיים ויכולים להחליף הלחמה בבדיל/עופרת.

דבקים עתירי ביצועים לאלקטרוניקה עתירת ביצועים

לייצור אלקטרוניקה עתירת ביצועים נדרשים דבקים בעלי כושר היצמדות גבוה למתכות ומוליכות תרמית לצורך ניתוק תרמי ובידוד. ננו־חלקיקים כגון כסף, ניקל, גרפן, תחמוצת גרפן וננו־צינוריות פחמן (CNTs) משולבים לעיתים קרובות בשרפי אפוקסי ובפולימרים כדי להשיג את התכונות התפקודיות הרצויות, כגון מוליכות חשמלית או בידוד, מוליכות תרמית, חוזק מתיחה, מודול יאנג וגמישות. דבקים עתירי ביצועים שפותחו עבור אלקטרוניקה עתירת ביצועים משתמשים בחומרי מילוי מתכתיים (כגון ננו־חלקיקי כסף, זהב, ניקל או נחושת) כדי להקנות מוליכות חשמלית. כדי לממש את התכונות יוצאות הדופן של חומרים אלה, יש להקטין את גודלם לקנה מידה ננומטרי. מאחר שהקטנת הגודל והפיזור של ננו־חלקיקים הם משימה מאתגרת, טכנולוגיית טחינה ופיזור עוצמתית היא המפתח לפורמולציות דבק מוצלחות.

פיזור אולטרסוני מציע יתרונות שונים בהשוואה לטכניקות ערבוב וטחינה מסורתיות. בזכות אמינותה ויעילותה, סוניקציה התבססה בעיבוד ננו־חומרים וניתן למצוא אותה בכל תעשייה שבה מסנתזים ננו־חלקיקים ו/או משלבים אותם בנוזלים. לפיכך, סוניקציה היא הטכניקה האידיאלית לייצור דבקים ננו־מוליכים המכילים חומרי מילוי ננומטריים כגון ננו־חלקיקים, ננו־חוטים או ננו־צינוריות פחמן ושכבות גרפן חד־אטומיות (ננו־יריעות).
דבקים מוליכים חשמלית (ECAs): דוגמה בולטת היא הכנת פורמולציות של דבקים מוליכים חשמלית (ECAs), שהם חומרים מרוכבים העשויים ממטריצה פולימרית ומחומרי מילוי מוליכים חשמלית. כדי להכין פורמולציה של דבק עתיר ביצועים ליישומים אלקטרוניים, שרף פולימרי (למשל אפוקסי, סיליקון או פוליאימיד) חייב להקנות תכונות פיזיקליות ומכניות כגון היצמדות, חוזק מכני וחוזק נגיפה, בעוד שחומר המילוי המתכתי (למשל ננו־כסף, ננו־זהב, ננו־ניקל או ננו־נחושת) יוצר מוליכות חשמלית מעולה. בדבקים בעלי תכונות בידוד, חומרי מילוי מבוססי מינרלים משולבים בחומר המרוכב של הדבק.

לפני סוניקציה ואחריה: העקומה הירוקה מציגה את גודל החלקיקים לפני הסוניקציה, והעקומה האדומה היא התפלגות גודל החלקיקים של סיליקה שפוזרה באמצעות אולטרסאונד.

פיזור אולטרסוני של ננו־חומרים בתוך דבקים צמיגים

הומוגנייזרים אולטרסוניים יעילים מאוד כאשר יש צורך להקטין באופן אמין את גודלם של אגלומרטים, אגרגטים ואף חלקיקים ראשוניים. היתרון של מערבלים אולטרסוניים הוא יכולתם לטחון חלקיקים לגדלים קטנים ואחידים יותר, בין שתוצאת התהליך המיועדת היא חלקיקים מיקרוניים ובין שהיא ננו־חלקיקים. בעוד שטכנולוגיות אחרות, כגון מערבלי להבים או רוטור־סטטור, הומוגנייזרים בלחץ גבוה, טחנות חרוזים וכדומה, מציגות חסרונות כגון חוסר יכולת לייצר ננו־חלקיקים קטנים באופן אחיד, זיהום מחומרי הטחינה, נחירים סתומים וצריכת אנרגיה גבוהה, מפזרים אולטרסוניים משתמשים בעיקרון הפעולה של קוויטציה אקוסטית. הוכח שקוויטציה הנוצרת באמצעות אולטרסאונד יעילה מאוד, חסכונית באנרגיה ומסוגלת לפזר אפילו חומרים בעלי צמיגות גבוהה מאוד, כגון משחות המכילות ננו־חלקיקים.

כיצד פועל פיזור אולטרסוני?

כוחות גזירה הנוצרים בקוויטציה וזרמי נוזל מאיצים חלקיקים כך שהם מתנגשים זה בזה. תופעה זו ידועה כהתנגשות בין־חלקיקית. החלקיקים עצמם משמשים כחומר הטחינה, ובכך נמנעים זיהום מחרוזי טחינה ותהליך ההפרדה הנלווה, הנחוץ כאשר משתמשים בטחנות חרוזים קונבנציונליות. מאחר שהחלקיקים מתנפצים בעקבות התנגשות בין־חלקיקית במהירויות גבוהות מאוד של עד 280m/sec, פועלים עליהם כוחות גבוהים במיוחד, ולכן הם נשברים לשברים זעירים. חיכוך ושחיקה מקנים לשברי החלקיקים האלה פני שטח מלוטשים וצורה אחידה. השילוב של כוחות גזירה והתנגשות בין־חלקיקית מעניק להומוגניזציה ולפיזור אולטרסוניים יתרון המאפשר לקבל תרחיפים קולואידיים ומערכות פיזור הומוגניים מאוד!
יתרון נוסף של כוחות הגזירה הגבוהים הנוצרים באמצעות אולטרסאונד הוא אפקט הידללות בגזירה. לדוגמה, שרפי אפוקסי המכילים CNTs מחומצנות, שהוכנו באמצעות אולטרסאונד, מראים התנהגות של הידללות בגזירה. מאחר שהידללות בגזירה מורידה באופן זמני את צמיגות הזורם, עיבוד חומרים מרוכבים צמיגים נעשה קל יותר.

רצף תמונות שצולם במהירות גבוהה (מ־a עד f), הממחיש קילוף סונו־מכני של פתית גרפיט במים באמצעות UP200S, מכשיר אולטרסוני בהספק 200W עם סונוטרודה של 3-mm. החצים מציינים את מקום הפיצול (הקילוף), כאשר בועות קוויטציה חודרות אל המרווח שנוצר.
(מחקר ותמונות:© Tyurnina et al. 2020)

השוואה בין חומרי מילוי ננומטריים שונים שפוזרו בחומר מקשה (סוניקציה–US): (a) 0.5 wt% ננו־סיב פחמן (CNF); (b) 0.5 wt% CNToxi; (c) 0.5 wt% ננו־צינורית פחמן (CNT); (d) 0.5 wt% CNT בפיזור חלקי.
(מחקר ותמונה: © Zanghellini et al., 2021)

מכשירים אולטרסוניים עתירי הספק להכנת פורמולציות של דבקים עתירי ביצועים

Hielscher Ultrasonics מתמחה בציוד אולטרסוני עתיר ביצועים לעיבוד נוזלים ותרחיפים. מפזרים אולטרסוניים מאפשרים לעבד חומרים בעלי צמיגות גבוהה מאוד, כגון שרפים בעלי תכולה גבוהה של חומרי מילוי, ומבטיחים פיזור אחיד של ננו־חומרים בתוך חומרים מרוכבים.
הבקרה המדויקת על פרמטרי התהליך האולטרסוני, כגון משרעת, תשומת אנרגיה, טמפרטורה, לחץ וזמן, מאפשרת להתאים דבקים ברמה הננומטרית.
בין שהפורמולציה שלכם דורשת פיזור של חומרי מילוי ננומטריים אורגניים ובין שהיא דורשת חומרי מילוי אי־אורגניים, כגון ננו־צינוריות, ננו־גבישי תאית (CNCs), ננו־סיבים או ננו־מתכות, ל־Hielscher Ultrasonics יש המערך האולטרסוני האידיאלי לפורמולציית הדבק שלכם.
המעבדים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher Ultrasonics יכולים לספק משרעות גבוהות מאוד ומסוגלים לפרק אגלומרטים ולפזר ננו־חומרים אפילו בצמיגויות גבוהות מאוד. ניתן לעבוד בקלות במשרעות של עד 200µm באופן רציף בהפעלה של 24/7.
המכשירים האולטרסוניים של Hielscher מוכרים בזכות איכותם, אמינותם ועמידותם. Hielscher Ultrasonics היא חברה בעלת הסמכת ISO ושמה דגש מיוחד על מכשירים אולטרסוניים עתירי ביצועים הכוללים טכנולוגיה מהמתקדמות ביותר וידידותיות למשתמש. כמובן, המכשירים האולטרסוניים של Hielscher תואמים ל־CE ועומדים בדרישות UL, CSA ו־RoHs.
הטבלה שלהלן נותנת מושג על קיבולת העיבוד המשוערת של המכשירים האולטרסוניים שלנו: