ریخته‌گری نواری

ریخته‌گری نواری

ریخته گری نواری (Tape Casting) روشی برای شکل دهی سرامیک ها و ایجاد ورقه های نازک از دوغاب سرامیکی است. ورق‌های نازک سرامیکی چون آلومینا، مولایت، زیرکونیا و دیگر سرامیک‌ های مهندسی جهت پایه‌ های سرامیکی در صنعت الکترونیک کاربرد زیادی پیدا نموده‌اند، این پایه‌ ها به صورت فیلم نازک چند لایه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. زیرپایه الکترونیکی خصوصا از نوع آلومینا در سلول‌ های خورشیدی فتوولتایی به صورت سطوح بزرگ و ضخامت کم مورد استفاده قرار گرفته زیرا کمترین آلودگی را روی لایه سیلیسیم ایجاد کرده، ضریب انبساط نزدیک به سیلیسیم دارد و استحکام فشاری مطلوبی نیز دارد. ریخته‌ گری نواری روش مناسبی برای شکل دادن قطعات با سطوح بزرگ و ضخامت کم (1000-20 میکرون) است. تولید این ورق‌های نازک در محیط‌ های آبی با استفاده از عوامل پراکنده‌ ساز جهت افزایش پایداری دوغاب و بایندر های سلولزی جهت افزایش استحکام و چسبندگی و همین‌ طور عوامل روان‌ ساز جهت نرمی و کاهش شکنندگی نمونه خام انجام می‌گیرد. شکل زیر فلوچارت مراحل انجام شده فرآیند ریخته گری نواری را نشان می دهد.

حلال مورد استفاده در ریخته گری نواری باید قابلیت حل نمودن مواد افزودنی چون بایندر و پراکنده‌ ساز را داشته و بتواند سوسپانسیونی یکنواخت را ایجاد نماید. حلال متداولی که در این روش برای تهیه دوغاب آلومینا استفاده می‌شود محلول‌های آزئوتروپیک بوتانن 2- اتانول یا تری کلرواتیلن- اتانول (Vol% 72.28) است. البته به علت سمی، فرار و گران بودن حلال‌های آلی به تدریج حلال‌های آبی جایگزین آن ها شده‌اند. البته حلال‌های آبی خود مشکلاتی از قبیل قابلت تبخیر پایین در مرحله خشک کردن، مصرف بالاتر مواد بایندر و تمایل به لخته‌ شدگی بیشتر به جهت حضور پیوند هیدروژنی را دارند. عامل پراکنده‌ ساز معمولا یک پلیمر از نوع پلی‌استر/پلی‌آمین است. مواد پلاستی سایزر مورد استفاده به منظور افزایش پلاستیسیته معمولا پلی‌اتیلن گلیکول و دی‌بوتیل فتالیت بوده که نسبت آنها یک به یک است. از ترکیباتی چون پلی‌ وینیل بوتیرال (PVB) یا بوت‌وار 98 به عنوان عوامل بایندر استفاده می‌شود. نسبت حجمی ماده پلاستی سایزر به بایندر معمولا 1.75 است، جدول زیر خواص ترکیب بوتوار 98 به عنوان ماده بایندر را نشان می‌دهد.

مطابق شکل فوق تهیه دوغاب همگن برای ریخته‌گری نواری در دو مرحله انجام می‌گیرد:

1- در مرحله اول مخلوط نمودن و همگن‌سازی پودر در حضور عوامل پراکنده‌ ساز در یک آسیا به مدت حدود 5 ساعت انجام می‌گیرد.

2- در مرحله دوم مواد افزودنی بایندر و روان‌ساز به دوغاب اضافه شده و عمل مخلوط شدن مشابه مرحله اول به منظور همگن نمودن به مدت 20 ساعت انجام می‌گیرد.

به منظور آخال‌زدایی و حذف ذرات درشت، دوغاب از یک غربال با مش معین عبور داده می‌شود. از مشکلات ایجاد شده در این مرحله می‌توان به تشکیل سریع پوسته بر روی سطح غربال اشاره نمود. به همین دلیل لازم است عمل صافی تحت اتمسفر اشباع از حلال‌های آلی انجام گیرد. عمل ریخته‌ گری با حرکت یک مخزن محتوی دوغاب با سرعت یک الی 3 سانتی‌ متر بر ثانیه بر روی یک پلاک شیشه‌ ای صورت می‌گیرد. اضافه‌کردن تا حدود 0.4% عامل پراکنده‌ ساز به آلومینا باعث کاهش ویسکوزیته می‌شود. از پارامترهای دیگر کنترل‌کننده دوغاب دما است که تغییر جزئی آن از 25 به 35 درجه سانتی‌گراد تغییر اساسی بر کاهش ویسکوزیته می‌گذارد. با افزایش مقدار ذرت جامد از 54% به 60% ویسکوزیته از 0.5 به 1.5 پوآز افزایش می‌یابد که از یک نظر مثبت بوده و باعث کاهش میزان تبخیر حلال در ضمن خشک کردن شده و در نتیجه شدت تنش‌ های باقی‌مانده در نمونه کاهش می‌یابد. اما از طرفی با افزایش ویسکوزیته هوازدایی مشکل‌تر شده و پایداری و همگنی دوغاب کاهش می‌یابد. بنابراین می‌ بایستی یک حد بهینه برای ویسکوزیته در نظر گرفت. معمولا برای افزایش ضخامت تا 400 میکرون لازم است مقادیر بالاتر از 6-4% ماده افزودنی بایندر استفاده شود که در این صورت نوارهای سرامیکی با کیفیت بالا از نظر مقاومت مکانیکی، انعطاف و کاهش ریزترک‌ ها حاصل می‌شود. ترکیب بهینه موادافزودنی به ازای هر 100 گرم آلومینا به قرار زیر است:

1/1 گرم ماده پراکنده‌ساز، 55.4 گرم تری‌کلرواتیلن، 21.5 گرم اتانول، 6 گرم PVB به عنوان ماده بایندر، 5.4 گرم PEG400 به اضافه 5 گرم DBP به عنوان مواد روان‌ساز.

برای ساخت ضخامت‌های بزرگتر از یک میلیمتر مقدار ماده باندساز از 6 به 8 گرم افزایش می‌یابد و مواد روان‌ساز برای PEG از 5.4 به 7.2 گرم و برای DBP از 5 گرم به 6.6 گرم می‌رسد. بالاترین درصد مجاز جامد در داخل دوغاب (55-58)% می‌باشد.

در حالت دوغاب آبی پودر آلومینا در داخل یک اسید پلی کربوکسیل پراکنده شده و گلیسیرین (جرم مولکولی 29 و دانسیته 1.261) به عنوان روان‌ساز و هیدروکسیل اتیل سلولز که در آب قابل حل است به عنوان بایندر استفاده می‌شود. شکل زیر جزئیات ریخته‌گری نواری را در حالت استفاده از حلال‌های آبی را نشان می‌دهد که تقریباً مشابه با حالت‌ حلال‌های آلی می‌باشد.

زمانی که از امولسیون اکریلیک لاتکس به عنوان ماده بایندر به میزان حدود 15% (70% با دمای شیشه‌ای شدن 40- درجه و 30% با 10+) استفاده شود امکان تولید لوله‌های نازک آلومینایی از طریق ریخته‌گری نواری وجود دارد که شماتیک فرآیند در شکل زیر آمده است. در این فرآیند ابتدا نوارهای خام با ضخامت حدود 200 میکرون تولید شده که بعد از خشک شدن به دور یک پیش فرم از نوارهای پلیمری پیچانده می‌شوند و مورد پرس ایزواستاتیک با فشار تقریبی 100 مگاپاسکال قرار می‌گیرند. جهت حذف مواد واکسی یا پلیمری نمونه‌ها تا 120 درجه سانتی‌گراد حرارت داده شده و سپس مورد زینترینگ قرار می‌گیرد.

شکل زیر به صورت شماتیک نمونه‌ای از کاربرد فرآیند ریخته‌گری نواری در ساخت زیرپایه‌های الکترونیکی چندلایه‌ای از جنس آلومینا جهت مصرف در مدارهای تجمعی الکترونیک را نشان می‌دهد.

منابع و پیوندها

لغات و اصطلاحات ریخته گری نواری