A protocol for a robust and application relevant rheological characterization of highly concentrated suspensions is presented. Silver pastes used for screen-printing application in solar cell production are employed as model systems.
A comprehensive rheological characterization of highly concentrated suspensions or pastes is mandatory for a targeted product development meeting the manifold requirements during processing and application of such complex fluids. In this investigation, measuring protocols for a conclusive assessment of different process relevant rheological parameters have been evaluated. This includes the determination of yield stress, viscosity, wall slip velocity, structural recovery after large deformation and elongation at break as well as tensile force during filament stretching.
The importance of concomitant video recordings during parallel-plate rotational rheometry for a significant determination of rheological quantities is demonstrated. The deformation profile and flow field at the sample edge can be determined using appropriate markers. Thus, measurement parameter settings and plate roughness values can be identified for which yield stress and viscosity measurements are possible. Slip velocity can be measured directly and measuring conditions at which plug flow, shear banding or sample spillover occur can be identified clearly.
Video recordings further confirm that the change in shear moduli observed during three stage oscillatory shear tests with small deformation amplitude in stage I and III but large oscillation amplitude in stage II can be directly attributed to structural break down and recovery. For the pastes investigated here, the degree of irreversible, shear-induced structural change increases with increasing deformation amplitude in stage II until a saturation is reached at deformations corresponding to the crossover of G’ and G”, but the irreversible damage is independent of the duration of large amplitude shear.
A capillary breakup elongational rheometer and a tensile tester have been used to characterize deformation and breakup behavior of highly filled pastes in uniaxial elongation. Significant differences were observed in all experiments described above for two commercial screen-printing silver pastes used for front side metallization of Si-solar cells.
Fronte metallizzazione lato delle celle solari al silicio è comunemente realizzato con serigrafia tradizionale. Inoltre la stampa stencil, stampa a getto d'inchiostro e stampa flessografica 1, serigrafia è stata utilizzata dal 1970 per numerose applicazioni di stampa 2. Si tratta di una tecnica versatile e nella produzione di celle solari, assicura metallizzazione semplice e veloce ad un costo di stampa bassa. Tuttavia, le proprietà di flusso di paste serigrafiche devono essere regolati con cura per garantire indisturbati, senza difetti di lavorazione. Questo è particolarmente impegnativo metallizzazione cella solare dal strette motivi a linee uniformi devono essere raggiunti. Inoltre, pasta ricette devono essere adattati con attenzione per evitare la sedimentazione delle particelle di argento alta densità, separazione di fase e aggregazione delle particelle.
Le paste serigrafiche conduttrici altamente concentrati per metallizzazione lato anteriore delle celle solari Mainly costituiti da tre componenti 3, 4, 5, 6: il materiale conduttivo, particelle di argento generalmente micron dimensioni fornendo buona conduttività elettrica 7, 8; la fase continua, il cosiddetto veicolo, una miscela di leganti organici, solventi e additivi che promuovono bagnatura particella, formazione della pellicola e l'adesione al substrato che comprende anche additivi per regolare il comportamento del flusso, in particolare permettendo la pasta di passare le maglie dello schermo strette facilmente; e il legante inorganico (polvere di vetro) agisce come promotore di adesione e attiva il processo di sinterizzazione a temperature più basse.
Stampa di linee sottili con un elevato rapporto di aspetto richiede paste d'argento che esibiscono uno stress alto rendimento e un comportamento shear-assottigliamento pronunciato 9. Lo stress alto rendimento garantisce una buona shape precisione e di formato alto, mentre forte shear-assottigliamento e corrispondentemente bassa viscosità ad alte velocità di taglio sono necessari quando la pasta scorre attraverso le aperture delle maglie strette, dove la pasta viene esposta ad alte velocità di taglio prevede che saranno oltre 10 3 s -1 10.
Durante il processo di stampa, paste sono esposti a molto differenti tassi di deformazione e sollecitazioni. In primo luogo, la pasta riposa sullo schermo; quindi gli atti tergipavimento e la pasta penetra attraverso aperture schermo sul substrato. Dopo l'applicazione della colla sul wafer di silicio, la struttura e la viscosità deve recuperare rapidamente vietare pasta diffusione sul substrato. Ciò ridurrebbe prestazioni della cella solare a causa di maggiori perdite di schermatura 10, 11, 12, 13, 14, 15. Interruzioni, i cosiddetti meshmarks, in linee barretta stampati possono verificarsi in punti di incrocio di fili della maglia seconda pasta reologia. Il tempo per il riassorbimento degli meshmarks dovrebbe essere tutto il tempo necessario, ma anche abbastanza breve per mantenere la linea dito diffondere il più basso possibile 16.
La pressione della racla richiesta per la pasta di fluire attraverso le maglie sul substrato deve essere attentamente regolata allo stress alto rendimento necessario fornire una buona precisione di figura 3, 6, 9, 17, 18. Le particelle sono strettamente imballati, interagiscono con forza e formano strutture complesse. Di conseguenza, oltre a snervamento, assottigliamento delle cesoie e tissotropia, vari altri fenomeni di flusso complessi come bande taglio o valanga possono verificarsi in tali sospensioni 19, 20 </ sup>, 21. Slittamento parete è anche fondamentale per sospensioni concentrate 22, 23, 24, 25. Un sottile strato di liquido di viscosità più bassa, cioè uno strato impoverito o privo di particelle è formata vicino alla parete 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 e può controllare il flusso attraverso spazi ristretti o canali.
Quindi, una caratterizzazione reologica completa di paste serigrafiche è essenziale al fine di migliorare le caratteristiche di lavorazione e le caratteristiche del prodotto. In questo studio, due paste d'argento commerciali sono caratterizzati. Queste paste presentano sostanzialmente diverse prestazioni di stampa. Il char reologicoacterization di tali materiali è molto esigente. Anche il semplice determinazione della viscosità di taglio costante utilizzando un reometro rotazionale è una sfida importante causa di slittamento parete, a flusso a pistone, taglio strisce e pasta fuoriuscita. Di conseguenza, gli studi precedenti focalizzati su misurazioni oscillatori di taglio 10, 17, 21 o sulla caratterizzazione di basse paste d'argento concentrate, cosiddetti inchiostri 3, 6, 15, per cui difficilmente verificarsi i suddetti fenomeni.
Protocolli per una caratterizzazione robusta e significativa del comportamento del flusso di paste d'argento concentrate possono essere definite con l'aiuto di registrazioni video. Un reometro rotazionale di taglio con un apparecchio campione parallelo-piastra è usata in questo studio, dimostrando chiaramente che il flusso spina, slittamento parete e taglio bande dipendono dalla piastra grezzaness in modo non banale.
Nel lavoro precedente, dipendente dal tempo sviluppo di slittamento parete a flusso costante di torsione sospensioni concentrate stata esaminata per differenti rugosità piastra. Il flusso di sospensioni altamente concentrate di sfere di vetro solide in soluzione legante polimerico è stato visualizzato e un aumentato piastra o ruvidità cilindro interno impedito slittamento parete. Tuttavia, aumentando piastra rugosità portato frattura dei campioni 22, 25. Rottura è avvenuta a piccole velocità di taglio apparenti quando la rugosità delle pareti è stata aumentata. Le punte delle asperità delle superfici ruvide possono fungere da punti di concentrazione delle tensioni alla superficie della piastra, avviando frattura a sollecitazioni di taglio T si minore della tensione di snervamento τ y 25.
slittamento parete è considerata importante per le prestazioni dello schermo-stampa di paste altamente concentrati. Il passato e scivola attraverso le maglie più facile a maggior slittamento parete e suo deposito sul substrato aumenta significativamente 32. Con l'aiuto di registrazioni video, slittamento parete può essere osservato direttamente per diversi protocolli sperimentali. La velocità di scorrimento può essere determinata direttamente dalla velocità angolare del piatto rotante utilizzando piastre lisce con bassa rugosità. Ma la determinazione comportamento di flusso su paste d'argento è una limitazione intrinseca. Le sospensioni non sono trasparenti, osservazioni sul campo di flusso in modo ottico possono essere fatte solo al bordo del campione. Studi precedenti hanno tentato di determinare slittamento parete e deformazione all'interno dei campioni simultaneamente. Essi hanno osservato slittamento sotto della tensione di snervamento e trovarono una dipendenza quadratica velocità di scorrimento sulla sollecitazione di taglio. Il comportamento reologico delle sospensioni argilla trasparenti è stata studiata mediante Pignon 27 a seguito della deformazione di una linea di pigmento colorante iniettato nel materiale sfuso. Persello et al.xref "> 26 hanno studiato sospensioni di silice acquose concentrate. Essi hanno scoperto che l'aumento piastra rugosità per sopprimere slittamento parete non comporta una deformazione campione omogeneo ma provocò frattura rinfusa. slittamento e deformazione del campione in paste di particelle microgel morbide ed emulsioni concentrate è stata intensamente discusso in una serie di articoli 28, 29, 30, 31. particelle traccianti fluorescenti sono stati usati per determinare il campo di flusso all'interno di questi campioni trasparenti in una geometria cono piastra. Hanno trovato una caratteristica velocità di scorrimento V * alla tensione di snervamento del rispettivo materiale ed una legge di potenza per l'aumento della velocità di scorrimento con taglio τ sforzo inferiore τ y. esponente di una trovata per particelle non aderenti e due nel caso di debole attrazione tra particelle e la parete.
Nello studio presentato la suae lo sviluppo di deformazione e di flusso sotto sforzo controllato e condizioni shear rate di regolazione vengono controllati. In contrasto con i risultati riportati nell'Esempio di Riferimento 25, piastra di aumento rugosità non comporta frattura per entrambe le paste esaminati. Inoltre, slittamento parete e flusso spina non possono essere soppressi semplicemente aumentando piastra rugosità. Questi fenomeni sembrano essere controllata dal rapporto delle dimensioni delle particelle e la piastra rugosità. insiemi fuoriuscita del campione in una velocità di rotazione caratteristica presumibilmente determinato dall'equilibrio tra le forze centrifughe che agiscono su e attrito sulla piastra reometro. Tuttavia, la gamma shear rate in cui la determinazione della viscosità è possibile può essere determinato, e simultaneamente slittamento parete può essere quantificato. Inoltre, un reometro capillare viene utilizzato per determinare la viscosità a velocità di taglio più elevate rilevanti per il processo di stampa.
Nonostante le difficoltà con costante taglio reometria, ben definita taglio oscillatorio deformazione cun essere implementato facilmente. Un test in tre fasi oscillazione (frequenza costante, diverse ampiezze di oscillazione) simula il processo serigrafico 10 e consente lo studio strutturale recupero della pasta:
Nel primo "pre-stampa" passo, una piccola deformazione viene applicato per determinare le proprietà elastiche e viscose a riposo. Il secondo "stampa" step simula il rivestimento lama e la pasta passa retino applicando una sufficientemente elevata ampiezza di deformazione rompere la struttura pasta. Nella fase "post-stampa" finale, una piccola deformazione è utilizzata per individuare il recupero strutturale della pasta. Il valore di modulo iniziale dovrebbe essere raggiunta rapidamente per evitare la diffusione di pasta, ma non troppo veloce per evitare meshmarks. Le indagini qui presentati confermano che la ripresa strutturale è incompleta, come precedentemente riportato da Zhou 21. Zhou potrebbe dimostrare che il cambiamento strutturale è causatodalla rottura di cluster di riempimento di filler-matrice disaccoppiamento utilizzando particelle di argento sospese in soluzione etil cellulosa. registrazioni video in questo studio rivelano che l'osservato cambiamento strutturale irreversibile non è un artefatto relativo al verificarsi dello slittamento parete, taglio strisce, a flusso a pistone o fuoriuscita del campione. Inoltre, si è trovato che il grado di rottura strutturale dipende fortemente l'ampiezza di deformazione applicata nello stadio due, ma difficilmente dipende dall'intervallo di tempo della deformazione applicata. Questo aspetto non è stato percepito negli esperimenti di Zhou. L'influenza della composizione pasta sulla composizione strutturale e recupero sarà discusso in un documento successivo.
Infine, un metodo per simulare il comportamento di pasta durante la schermata di scatto-off è presentato. Un capillare rottura reometro elongazionale e un dinamometro commerciale vengono utilizzati per determinare il rapporto di stiro a cui rompere le paste e la forza assiale massima durante lo stretching come funzionedella velocità di allungamento.
registrazioni video sono rivelati indispensabili per reperire i protocolli di misura appropriati per una caratterizzazione reologica significativa di paste d'argento con piatti paralleli reometria rotazionale. dati video abilitati alla determinazione del tasso di taglio e regimi di sollecitazione di taglio in cui i valori fisicamente snervamento ben definita e viscosità può essere determinata. La scelta appropriata della piastra rugosità e parametri di separazione piastra era basata su queste registrazioni video. impostazioni sperimentali per cui si verificano slittamento parete, a flusso a pistone puro, taglio delle bande o fuoriuscite di esempio potrebbero essere inequivocabilmente identificati. Le paste esaminati qui sono usati per metallizzazione lato anteriore delle celle solari. Tuttavia, un video attenta supportato caratterizzazione reologica è importante anche per vari altri tipi di sospensioni concentrate compreso alta densità, particelle micron di dimensioni.
Una caratterizzazione reologica completo di sospensioni o paste altamente concentrate è obbligatoria per una riunione sviluppo del prodotto mirato le molteplici esigenze durante l'elaborazione e l'applicazione di tali fluidi complessi. Questa indagine include la determinazione di snervamento, viscosità, velocità di scorrimento della parete, recupero strutturale dopo grandi deformazioni e allungamento a rottura, così come forza di trazione durante filamento allungamento. Una sintesi di tutti i metodi applicati, ottenuto informazioni, e le caratteristiche della colla sono riassunti nella Tabella 1.
è dimostrato l'importanza di registrazioni video per la determinazione affidabile di quantitativi reologiche delle sospensioni altamente caricate mostrando slittamento parete, taglio a strisce e ricaduta campione a piatti paralleli reometria rotazionale. registrazioni video consentono la determinazione del vero profilo deformazione e il campo di flusso in corrispondenza del bordo del campione utilizzando marcatori appropriati. È necessARY studiare questo comportamento di deformazione prima di analizzare i risultati di esperimenti reologiche. Così impostazioni dei parametri di misurazione e valori di rugosità lastra possono essere identificati per le quali misure di viscosità sono possibili. Lo stress pasta resa può essere determinato utilizzando una geometria geometria palette o piastra-piastra con appropriata rugosità.
Determinazione della viscosità è possibile utilizzando la geometria piastra-piastra solo con una rugosità piastra selezionato a seconda della composizione del campione. Rugosità maggiore non comporta necessariamente inferiore slittamento parete. La velocità di taglio o l'intervallo sollecitazione di taglio in cui la determinazione della viscosità può essere fatto è limitata dalla tensione di snervamento e l'insorgenza di fuoriuscita del campione.
Inoltre, la velocità di scorrimento può essere misurato direttamente e condizioni di misura in cui flusso a stantuffo, taglio delle bande o ricaduta campione verificano può essere identificato chiaramente. Per misure di slittamento parete superfici lisce sono state usate come pla taglio superioreTE e una piastra di fondo ruvido per consentire slittamento solo alla piastra superiore. Questa velocità di scorrimento può essere calcolato direttamente dalla velocità angolare della piastra superiore. Per entrambe le paste slittamento avviene a livelli di stress nettamente inferiori al limite di elasticità apparente. Osservazioni simili sono stati riportati per sospensioni di microsfere di vetro 25, sospensioni argilla 27, paste microgel molli nonché per emulsioni 28, 29, 30. Qui un aumento lineare di v slittamento con τ app è trovato. Ciò è in linea con le osservazioni di Aral et al. 25 che determinata anche v slittamento usando la visualizzazione del campo di moto in corrispondenza del bordo delle sospensioni branello di vetro investigati.
Seth et al. hanno dimostrato che la scala della velocità di scorrimento con sollecitazione applicata è controllata dalla interazione tra il partic morbidoles hanno usato nel loro studio e la parete. Per il caso in cui non v'è alcuna adesione specifica di particelle alla parete, trovano anche una relazione lineare tra v slittamento e stress ma un ridimensionamento quadratica è trovato che le particelle debolmente aderenti alla parete 28, 29, 30. Gli studi su paste particelle morbide rivelano anche una caratteristica velocità di scorrimento V * alla tensione di snervamento e un modello elastoidrodinamica è presentato 29 consente di calcolare V * dai parametri fisiche del fluido e particelle che possono essere determinate indipendentemente: V * ~ γ y 2 (G 0 R / η s) (G P / G 0) 1/3. Questa velocità di scorrimento caratteristica dipende dalle paste resa ceppo γ y e modulo elastico G 0, solvente viscosità η s, nonché particle raggio R e il modulo G P. I valori risultanti da questa semplice stima (V A * = 375 micron s -1 e V B * = 118 micron s -1) accordo molto bene con i risultati sperimentali (Figura 9), non solo per quanto riguarda l'ordine di grandezza ma anche per quanto riguarda la differenza tra pasta A e B.
fuoriuscite campione viene osservato qui ad una caratteristica critica velocità di rotazione per ciascuna pasta. Fuoriuscita non si verifica nei veicoli puri. Questo fenomeno limita caratterizzazione reologica delle paste e può anche essere rilevante per talune operazioni di trattamento o di rivestimento, ma la sua origine fisica rimane irrisolto.
registrazioni video indicano inoltre che slittamento parete, a flusso a pistone e la fuoriuscita del campione possono essere esclusi durante prove di taglio oscillatorie. Pertanto, la diminuzione e aumento dei moduli di taglio osservati durante i test oscillatorio taglio tre stadi con Small ampiezza di oscillazione in fase I e III nonché grande ampiezza di deformazione > c può essere direttamente attribuita a rottura strutturale giù e recupero. Si è potuto dimostrare che il grado di irreversibile cambiamento strutturale durante oscillatori taglio aumenta con l'aumentare dell'ampiezza di deformazione in fase seconda fino a saturazione viene raggiunta a deformazioni corrispondenti al crossover di G' e G '' nel test di ampiezza scansione, ma il danno irreversibile è indipendente dalla durata di alto taglio ampiezza in fase II. La variazione in modulo e struttura quindi campione a causa di grande deformazione di taglio nella fase II è definito irreversibile qui poiché dopo tempi di attesa di più di 10 s 4, il modulo elastico è di gran lunga inferiore al suo valore iniziale (dati non mostrati). I dati mostrati nella figura 15 sono limitati a attesatempi di 1.500 s per motivi di chiarezza. Tuttavia, va notato che la scala temporale del processo di stampa è nell'ordine di secondi o anche al di sotto. Questo non è accessibile con la configurazione reometro rotazionale convenzionale utilizzato in questo studio.
Le altezze Gap utilizzati in questo studio sono anche molto più grandi aperture tipiche di maglia in serigrafia dei moderni elettronica stampata. misure reologiche con geometria piastra-piastra non può essere fatto a tali aperture gap piccole a causa dei limiti di regolazione meccanica per grandi lastre tipicamente utilizzati nelle misurazioni reologiche. Inoltre, grandi separazioni gap sono stati scelti qui per facilitare la visualizzazione della deformazione campione al cerchio.
test filamento si estende con un capillare rottura reometro elongazionale e un tester di trazione possono essere utilizzati per caratterizzare il comportamento di deformazione e rottura delle paste altamente caricate nei flussi elongazionale. L'allungamento a rottura e il mforza assima durante l'allungamento sono parametri ottenuti da queste prove e può essere correlata al tergipavimento snap-off durante la serigrafia.
Infine, state osservate differenze significative in tutti gli esperimenti descritti sopra per le due paste d'argento commerciali esaminati in questo studio. Una discussione estesa della rilevanza delle proprietà reologiche di pasta per le loro prestazioni sarà affrontato in un successivo documento sulla base di dati per una vasta gamma di diverse paste e veicoli.
The authors have nothing to disclose.
The authors would like to thank to Heraeus Precious Metals GmbH & Co. KG for their support and supply of commercial silver pastes, especially M. König for fruitful discussions. Special thanks go to M. Schmalz for experimental support. C. Yüce gratefully acknowledges financial support by the 100 prozent erneuerbar stiftung. Finally, we acknowledge financial support from the Federal Ministry for Economic Affairs and Energy (Grant no. 0325775G).
endoscopy | Visitool | TVS80.280.BF6.AD10.2 | full name: TV-Endoskop, C-Mount, Variookular 2X, Ø 8mm x ca. 280mm, 0°, BF:6mm, AD 10mm |
commercial silver paste | Heraeus Deutschland GmbH & Co. KG Global Business Unit Heraeus Photovoltaics |
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rheometer A | Anton Paar | Physica MCR 501 | Rq = 2 – 4 µm |
rheometer B | Thermo Scientific | Haake Mars II | Rq = 1.15 µm Rq = 9 µm |
rheometer C | Thermo Scientific (formerly Haake GmbH) | Rheostress 150 | vane geometry |
sandpaper | Jean Wirtz Düsseldorf Metallographie | P320 C | Rq = 9 µm grain size = 46.2 ± 1.5 |
recording software | Debut Video Capture | ||
LED Spotlight | Kaleep | 48W Led Work Lights Offroads Lights Lamp Spotlight Floodlight |
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capillary breakup elongational rheometer | Thermo Scientific (Haake) | HAAKE CaBER1 | |
tensile tester | Stable Micro Systems, Godalming, UK | TA.XT plus Texture Analyzer |
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50 N load cell | Stable Micro Systems, Godalming, UK | Serialnumber: 10256249 | |
a modified capillary rheometer | Göttfert Rheograph 2000 (Göttfert Werkstoff-Prüfmaschinen GmbH, Buchen Germany) | ||
500 bar pressure transducer | Gefran, Selingenstadt, Germany |