低溫共燒陶瓷銀漿用有機(jī)載體的制備及性能表征

胡永才，姚英邦

（廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院 廣東 廣州 510006）

1 引言

低溫共燒陶瓷內(nèi)電極銀漿在制備過程中需要用到絲網(wǎng)印刷工藝的限制，對銀漿的流變性要求較高，由于銀漿的制備技術(shù)已經(jīng)十分成熟，并且易于生產(chǎn)，所以銀漿現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于電子元器件當(dāng)中。然而，通過絲網(wǎng)印刷工藝獲得高質(zhì)量的銀電極仍然是一個挑戰(zhàn)，因為在現(xiàn)階段的工藝水平中，很難保證低接觸電阻的同時減少銀漿的損耗[1]。為了克服這一系列的問題，必須對漿料的流變性和觸變性進(jìn)行調(diào)整，使得銀漿易于絲網(wǎng)印刷，獲得高縱橫比、均勻性好的薄膜。漿料的流變性能，特別是漿料在整個印刷過程中的流動行為，包括印刷后的結(jié)構(gòu)恢復(fù)，是影響漿料通過絲網(wǎng)印刷孔的能力和漿料在基材上不擴(kuò)散的關(guān)鍵性能。聚合物黏結(jié)劑作為有機(jī)漿料介質(zhì)中最重要的組分之一，有望在改變漿料流變特性方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，從而對印刷網(wǎng)格線的質(zhì)量產(chǎn)生強烈影響。

2 實驗部分

2.1 有機(jī)載體的制備

按比例精確稱取載體有機(jī)物各個組分，將其在玻璃燒杯中混合，放入60℃恒溫油浴磁力攪拌器攪拌均勻，直至乙基纖維素、卵磷脂和十六醇等難溶物完全溶解為止，并將其保存在室溫環(huán)境溫度下。

有機(jī)載體的組成成分及其含量見表1。

表1 有機(jī)載體的組成成分及含量

本文通過多組對照實驗，研究不同比例的領(lǐng)苯二甲酸二丁酯和領(lǐng)苯二甲酸二辛酯，以及不同含量的觸變劑對有機(jī)載體的觸變性和流變性的影響，其對照實驗思路如下。

研究不同領(lǐng)苯二甲酸二丁酯和領(lǐng)苯二甲酸二辛酯的相對含量對有機(jī)載體的黏度以及流變性能影響，具體實施方式見表2。

表2 鄰苯二甲酸二丁酯和鄰苯二甲酸二辛酯的相對含量的具體實施方式

2.2 實驗結(jié)果

圖1展示的是有記載體重不同比例的領(lǐng)苯二甲酸二丁酯和領(lǐng)苯二甲酸二辛酯的流變曲線圖。張及其團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)他們所自備的銀漿的有機(jī)載體的觸變指數(shù)（他們將觸變指數(shù)定義為剪切速率為5 s-1和50 s-1的黏度的比值）為9.35。從圖1中可以看到，所有的有機(jī)載體樣品都具有剪切變稀的行為。并且隨著剪切速率逐漸降低，有機(jī)載體的黏度逐漸恢復(fù)，在圖中表現(xiàn)為剪切黏度曲線具有遲滯現(xiàn)象。這一現(xiàn)象和漿料具有相同的趨勢，進(jìn)一步說明漿料的流變性能主要受到有機(jī)載體的影響。許多理論被用來解釋流體的剪切變稀行為，其中許多研究者都認(rèn)為，在流體靜置時，顆粒在流體之間形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)限制了有機(jī)高分子的自由流動，使得流體黏度較大，但是當(dāng)外力施加之后，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞，有機(jī)高分子開始逐漸流動起來，所以漿料的黏度降低，從而表現(xiàn)出剪切變稀行為。

圖1 編號1～6樣品的流變曲線圖

表3是樣品1～6觸變指數(shù)的原始數(shù)據(jù)。觸變指數(shù)常常被研究者們用來研究漿料的觸變性能。屈服應(yīng)力也經(jīng)常被用來表征漿料的觸變行為。LIN[2]及其團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)最佳的觸變指數(shù)（他們將觸變指數(shù)定義為剪切速率為3.84 s-1和38.4 s-1的黏度的比值）范圍是2.5～3.0。

表3 樣品1—6觸變指數(shù)

樣品（樣品1～6）的剪切速率——黏度曲線圖見圖2。

圖2 不同比例的領(lǐng)苯二甲酸二丁酯和領(lǐng)苯二甲酸二辛酯制備有機(jī)載體的（a）剪切速率應(yīng)力曲線圖——Bingham模型、（b）剪切速率應(yīng)力曲線圖——Casson模型和（c）屈服應(yīng)力模擬結(jié)果圖

從表3中可以看出，樣品1、2、3、5均具有較高的觸變指數(shù)，分別為2.26、2.10、2.07、2.24。

一般來說，對于塑性或者假塑性流體就有一定值的屈服應(yīng)力。不同流體的屈服應(yīng)力不同，影響材料屈服應(yīng)力的因素：這種屈服應(yīng)力與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，其中隨機(jī)連接的顆粒或長分子鏈在靜止時形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)。為了模擬出自備有機(jī)載體的屈服應(yīng)力（τ0，Pa），本文使用了Bingham模型（如公式1）和Casson模型（如公式2）來對有機(jī)載體剪切應(yīng)力和剪切速率曲線進(jìn)行模擬。Bingham模型的特殊之處在于，當(dāng)剪切應(yīng)力高于臨界值時，剪切應(yīng)力與剪切速率之間呈現(xiàn)出線性關(guān)系。而Casson模型的特征在于，當(dāng)剪切應(yīng)力超過臨界值時，剪切應(yīng)力和剪切速率呈現(xiàn)出非線性關(guān)系，但是此時剪切應(yīng)力的算術(shù)平方根和剪切速率的算術(shù)平方根呈現(xiàn)出線性關(guān)系。許多學(xué)者也用著兩個模型對流體進(jìn)行模擬[3]。

此公式中τ為剪切應(yīng)力（Pa）、τ0為屈服應(yīng)力（Pa）、η∞為當(dāng)剪切速率（γ.）趨于無窮大時的黏度。

圖2展示了不同比例的領(lǐng)苯二甲酸二丁酯和領(lǐng)苯二甲酸二辛酯制備有機(jī)載體的剪切速率應(yīng)力曲線圖—Bingham模型、剪切速率應(yīng)力曲線圖—Casson模型和屈服應(yīng)力模擬結(jié)果圖。對剪切應(yīng)力和剪切速率曲線的40～100（s-1）范圍內(nèi)進(jìn)行擬合。根據(jù)圖中得知，比例分別為0-10、2-8、4-6、6-4、8-2和10-0的樣品的Bingham屈服應(yīng)力的擬合值分別為658.96、545.61、564.02、37.60、578.32和397.79。比例分別為0-10、2-8、4-6、6-4、8-2和10-0的樣品的Casson屈服應(yīng)力的擬合值分別為252.17、187.14、197.68、1.88和119.90。這兩種線性擬合都十分吻合，其線性擬合系數(shù)分別為0.90、0.92、0.94、0.99、0.95和0.98—Bingham模型以及0.93、0.94、0.94、0.98、0.95和0.99—Casson模型。通過這兩個模型模擬出來的屈服應(yīng)力值有較大的區(qū)別，這是正常現(xiàn)象。因為許多模型所適應(yīng)的范圍不同，并不存在著一個模型可以對所有流體的屈服應(yīng)力進(jìn)行模擬。根據(jù)以前的研究可以發(fā)現(xiàn)，Casson模型是一個半經(jīng)驗?zāi)Ｐ停S多油漆、油墨或者漿料都用此模型來進(jìn)行擬合。圖2（c）繪制了不同比例的領(lǐng)苯二甲酸二丁酯和領(lǐng)苯二甲酸二辛酯制備有機(jī)載體的屈服應(yīng)力模擬結(jié)果圖，結(jié)合表3分析可以知道，樣品1、2、5都具有較高的屈服應(yīng)力值和較大的觸變指數(shù)，其結(jié)果一致。

此測試方法是先給漿料施加100 s-1的剪切速率，然后每隔5 min對漿料的黏度進(jìn)行一次測量。從黏度回復(fù)性曲線圖中可以看到，當(dāng)領(lǐng)苯二甲酸二丁酯和領(lǐng)苯二甲酸二辛酯的比例為4:6時，漿料的回復(fù)性能最好；結(jié)合上面的實驗結(jié)果綜合得知，當(dāng)領(lǐng)苯二甲酸二丁酯和領(lǐng)苯二甲酸二辛酯的比例為4:6時，漿料的觸變性能和回復(fù)性能均較好，如圖3所示。

圖3 不同比例領(lǐng)苯二甲酸二丁酯和領(lǐng)苯二甲酸二辛酯的回復(fù)性曲線圖

3 結(jié)語

本文研究了有機(jī)載體的不同成分對有機(jī)載體的黏度、觸變性能、回復(fù)性能的影響。研究了不同比例領(lǐng)苯二甲酸二丁酯和領(lǐng)苯二甲酸二辛酯制備有機(jī)載體的性能，隨著比例的增加，有機(jī)載體的黏度逐漸降低，并且其觸變性也逐漸降低，當(dāng)其比例為4:6時，黏度為57 Pa·s，觸變指數(shù)為2.07，Bingham屈服應(yīng)力為545.61 Pa，Casson屈服應(yīng)力為187.14 Pa，均為較高的水平，具有良好的絲網(wǎng)印刷性能，比較適合于通孔漿料，當(dāng)卸掉剪切應(yīng)力后可以快速地恢復(fù)。