Tape-casting

Tape casting on õhukeste, põhimõtteliselt kahemõõtmeliste kihtide tööstusliku tootmise meetod. Õhukesi kihte saab valmistada igast materjalist, mida saab pulbrina valmistada. Tänapäeval ei ole kasutusalaks ainult üldlevinud tavalised keraamilised materjalid, vaid ka erirakendustega materjalid kütuseelemendi elektroodidest orgaaniliste liitiumioonakude komponentideni. Tehnoloogiat saab kasutada ka kolmemõõtmeliste objektide valmistamiseks, kui kasutatakse lamineeritud objektide valmistusmeetodit (LOM). Selle meetodi puhul lõigatakse õhukesed lehed laseriga soovitud kujudesse ja üksteise peale pandud kihid lamineeritakse. Tape casting’u kasutusvaldkondade piiriks on ainult materjaliteadlase kujutlusvõime. Tape casting võimaldab valmistada õhukesi kihte paksusega 1 μm kuni 1 mm ja kuna saadud leht on painduv, on lihtne teda rullile kerida ja ladustada. Selle meetodi suureks eeliseks on võimalus saada suur partii ühtlase pinnaga, ühesuguse paksusega, ainelise koostisega ja jaotusega kihte. Aine peab olema voolisena, mida on lihtne mehaaniliselt mõjutades õhukeseks kihiks viia. Pasta koosneb soovitava kihi põhikomponendi pulbrist, lahustist või lahustite segust, dispergendist, sideainest ja plastifikaatorist. Keraamilised, metallilised või komposiitsed pulbrid on tape casting’u puhul kõige olulisemad komponendid. Pärast sideaine eemaldamist ja lõpptöötlemist on pulber ainuke komponent, mis jääb alles ja määrab produkti omadused. Teised pasta komponendid, solvent, dispergent ja plastifikaatorid, on selleks, et saavutada soovitud kuju ja tihedusega toorkiht (inglise keeles green tape). Põhimõtteliselt on tape-casting’u idee hoida pulbri osakesi toorkihis selliselt, et pärast paagutamist saaksime soovitud kuju, suuruse ja omadustega produkti. Pulbri puhul on olulised osakese suurus, suurusjaotus, eripind ja tihedus. Solvente kasutatakse selleks, et pulber oleks voolis, mida annab viia kahemõõtmeliseks õhukeseks kihiks. Lahusti eesmärk on jaotada kõik komponendid ühtlaselt üle kogu pasta, et saadav kiht oleks võimalikult homogeenne. Enamasti kasutatakse polaarsest ja mittepolaarsest solvendist koosnevat solvendisüsteemi, mis ühelt poolt suurendab komponentide lahustuvust solvendis, teisalt aga võimaldab eemaldada toorkihti lihtsalt kandjalt. Tihedamini kasutatavad lahustisüsteemid on metüületüülketoon (MEK), MEK ja 95% etanool, ksüleen ja 95% etanool, MEK ja tolueen jt. Pindaktiivsete ainete tähtsust ei saa üle hinnata, sest need määravad poorsuse, dispergeeritavuse, märgumise, toorkihi tugevuse jms. Dispergendil on viis olulist omadust: eraldada ja hoida eraldi pulbri osakesi, et sideaine saaks nendega individuaalselt seonduda, suurendada pulbri hulka mõistlikel viskoossustel voolises, vähendada solvendi hulka pastas, nii raha säästmise kui ka kuivamisaja lühendamise eesmärgil ja põleda välja enne paagutamist, et lõpp-produkt sisaldaks ainult soovitud komponente. Mõned näited dispergentidest: oleiinhape, steariinhape, menheden kala õli, Solsperse. Sideaine on töötlemise seisukohast kõige olulisem lisand. Sideaine loob maatriksi üle kogu pasta, mis hoiab kogu süsteemi edasise töötlemise jaoks koos. Sideaine määrab toorkihi painduvuse, tugevuse, plastilisuse, lamineeritavuse, vastupidavuse jms. Sideainetena kasutatakse polüvinüüle, polüakrüüle, tselluloose ja muud. Plastifikaatorid jagunevad kaheks. Esimest tüüpi plastifikaatorid muudavad toorkihi painduvamaks ja vähendavad selle tugevust. Neid saab kirjeldada kas klaasistumistemperatuuri (Tkl) muutjatena või sideaine lahustitena. Tüüpilised esimest sorti plastifikaatorid on ftalaadid, näiteks bensüülbutüülftalaat. Teist sorti plastifikaatorid töötavad maatriksi lubrikandina. Nad on polümeeriahelate vahel ja suurendavad nende liikuvust, millega muudavad toorlehe elastsemaks ja vähendavad sellega toorlehe pragunemisohtu. Tüüpilised teist sorti plastifikaatorid on glükoolid, näiteks polüetüleenglükool. Pulbrid jõuavad tootjani tihti mittesobilikul kujul. Seepärast kasutatakse mitmeid võtteid, kuidas pulber soovitud kujule viia. Mitmed kuulveskis jahvatatud keraamilised pulbrid sisaldavad lisandeid. Nendest vabanemiseks lastakse läbi pulbri 95 °C destilleeritud vett ja pulbrit kuivatatakse kuivatusahjus 130 °C juures vähemalt 18 tundi. Seejärel pannakse pulbrid otse kuumalt kuulveskisse. On leitud, et selline menetlus vähendab naatriumi sisaldust neli korda ja tõstab keraamilise lõpp-produkti elektrilist takistust terve suurusjärgu. Selline pesemine aitab ainult juhul, kui lisandid on vees lahustuvad. Tihti on kasutatavad pulbrid väga hügroskoopsed. Nad imavad endasse atmosfääri niiskust. Selliseid pulbreid tavaliselt kuivatatakse ja hoitakse kuivatusahjus temperatuuril üle 100 °C. Pulbrit kuumutatakse niiskes atmosfääris, et pulbri osakeste pinnale moodustuksid hüdroksüülrühmad, mis on olulised mitmete oksiidsete materjalide tape casting’ul. Dopandid peavad reageerima üle kogu põhipulbri osakeste pinna ja selleks lisatakse need lahustuvate sooladena (näiteks nitraatidena) ning kaltsineeritakse. Esimeseks pasta valmistamise etapiks on pulbri dispergeerimine lahustis. Segamine toimub põhiliselt kuulveskis. Kasutada võib ka rullikutel segamist. Kõigepealt lahustatakse dispergent solvendis ning seejärel lisatakse solventi pulber. Dispergeerimise eesmärk on lõhkuda aglomeraadid, viia osakesed eraldi, katta need dispergendiga ja hoida neid eraldi. Segamisajad varieeruvad neljast tunnist 48 tunnini. Õige kiiruse tunneb ära selle järgi, et on kuulda õrna häält, kuidas segamiskuulid vastu seina käivad. Samas liiga vali klõbin tähendab, et veski jahvatab segamisgraanuleid sisse. Orgaaniliste komponentide lisamise järjekord on sama kriitilise tähtsusega kui ained ise. Esmalt lisatakse dispergent, seejärel plastifikaator ning viimasena sideaine. Kui dispergeeriv segamine on lõppenud, lisatakse esmalt plastifikaator ja seejärel sideaine, sest esimest sorti plastifikaator käitub kui sideaine solvent. Sobilik segamisaeg on vähemalt 12 tundi. Selle ajaga lahustub sideaine plastifikaatoris ning pasta muutub homogeenseks. Pastast tuleb lahustunud gaas eemaldada, sest muidu on pärast tape casting’ut toorlehes väikesed augud. Õhumullide poolt tekitatud augud ongi kõige levinumad toorkihi defektid ja need võivad viia varesejalg-tüüpi pragunemiseni. Pasta degaseerimiseks kasutatakse erinevaid tehnikaid. Üks lihtsamaid meetodeid on kerge vaakumiga (635–700 mmHg) degaseerimine vaiksel segamisel. Enamasti kulub aega viis kuni kaheksa minutit. Võimalik on ka väga aeglasel kiirusel (10 pööret minutis) segamine, aga siis on ajakulu vähemalt 24 tundi. Kasutada võib ka ultrahelivanni, siis on degaseerimise aeg veerand tundi. Pastat iseloomustavad suurused tuleb mõõta kohe pärast pasta valmimist, sest pasta ei ole ajas püsiv. Eelmainitud omadus tingib ka selle, et tape casting tuleb läbi viia kohe pärast pasta valmimist. Aja jooksul viskoossus suureneb ning tekib oht aglomeriseerumisele. Erinevalt pastast on toorkihid ajas püsivad. Pasta puhul jälgitakse viskoossust, erikaalu ja osakeste suuruste jaotust. Esimest kahte jälgitakse iga pasta puhul, viimast uuritakse, kui pastasse on lisatud märkimisväärselt enam või vähem mõnda uut anorgaanilist osa. Viskoossus mõõdetakse viskosimeetriga ning erikaal mõõdetakse lihtsa eeskirja järgi. Kindel ruumala pastat kaalutakse ning massi ja ruumala suhtest leitakse tihedus. Tihedus tohib varieeruda ±0,02 g/cm3 erinevatel sama koostisega pastadel. Osakese suuruse jaotuse uurimiseks kasutatakse sedimentatsiooni. Tööstuslikult jõuab pasta reservuaarini mööda torusid. On väga oluline, mis materjalist on torud ja kuidas erinevad solvendid nendega käituvad. Sellest oleneb, kui hästi jõuab pasta reservuaari, kui lihtne on hiljem torustikku puhastada ja kuidas saab torusid survestada. Tänapäeval kasutatakse enamasti polümeerseid torusid, kuid nende puhul on kõige tähtsam, kuidas solvendid nendega käituvad. Tape casting’u puhul on oluline konstantne temperatuur ja tihti soovitatakse natuke kõrgemat temperatuuri kui toatemperatuur, sest temperatuuri tõustes viskoossus väheneb. Enne kui pasta jõuab lõiketerani, läbib ta filtersüsteemi. Seda selleks, et eemaldada tekkinud aglomeraadid, mis võiksid lõiketera alla kinni jääda, toorlehe peale jooned vedada ja sellega toorlehe rikkuda. Enne kui pastat hakatakse lõiketera alt ühtlase kihina tõmbama, kogutakse ta reservuaari. Väga oluline on, et reservuaaris oleks kogu aeg sama kogus pastat, sest pasta poolt tekitatud lisarõhk muudab pasta käitumist lõiketera all. Tootjad on välja mõelnud väga erinevaid meetodeid, kuidas pasta hulka sensoritega kontrollida. Üks võimalikke lahendusi on kasutada kahte reservuaari, sest nende abil on lihtsam hoida õiget nivood, kui kogu süsteemiga üritada hoida ühtlast kõrgust. Teine meetod on kasutada kahte lõiketera väikese vahemaaga. Kõigepealt tuleb paksem kiht, mis on väga ühtlane, ja sellest teeb teine tera soovitud paksusega kihi. Lõiketera (inglise keeles doctor blade) kõrgus kandjast määrab saadava kihi paksuse. Kuna soovitakse väga ühtlaseid ja siledaid kihte, siis on väga oluline pilu kõrgus ja pilu kõrguse ühtlus üle kogu tera pikkuse. Tööstuslikult on tegemist tõsise probleemiga, sest tera võib olla isegi üks meeter pikk ja kihi paksused on mõnikümmend kuni mõnisada mikromeetrit. Tera puhul on väga määrav kuju. Kujust sõltub tera see paksus, mis on soovitud kõrgusele reguleeritud. Valmistatakse alt siledaid terasid ja kõikvõimalikke erinevaid lõikega terasid. Oluline on ka tera materjal, sest kui masinat kasutatakse päevast päeva, on vaja, et tera ei kuluks ja sellega ei muutuks kihi paksus. Kandja kannab pasta lõiketera alt läbi pilu ühtlase kihina edasi. Järgmiseks läheb kiht ahju, kus teda kuumutatakse. Enamasti kuumutatakse õhuvooluga, aga kasutatakse ka kandja kuumutamist. Kuumutamist on vaja solvendi aurustumiseks, et saaksime kuiva ning painduva toorkihi. Pärast ahju lõigatakse toorkihi äärtelt ebakvaliteetne osa maha ning seejärel eemaldatakse see kandjalt ja keritakse rullile. Tape casting’ul on tänapäeval väga palju mitte ainult keraamilisi vaid ka polümeerseid ja metallilisi rakendusi. Näiteks valmistatakse selle meetodiga tahkeoksiidseid kütuseelemente, metallilisi elektroode sulatatud karbonaatsele kütuseelemendile, piesoelektriliselt tarku seadmeid, polüvinüülideenfluoriidaku eralduskihte, TAB (tape automated bonding) pooljuhtide adhesiivmetalle. Nanotehnoloogias on samuti tape casting kasutusel. Näiteks on õnnestunud saada nanokomposiite nagu süsiniknanotoru polümeere ning kihistunud räni nanosavisid, optilisi materjale nagu footonilised kristallid ja dielektrilised peeglid, õhukesi filmekraane nagu polümeerne või orgaaniline valgust emiteeriv diood (OLED).Tape casting’ut kasutatakse veel kõvajoodiste, intermetalliliste ühendite õhukeste lehtede, liitiumioonakude ja kõikvõimalike komposiitmaterjalide, näiteks induktsioonipoolide, keraamikakondensaatorite, elektrooptilise keraamika jne tootmisel. Tape casting’u rakendamise ulatust võib kirjeldada fakt, et IBM on investeerinud MLC (multi-layered-ceramic packages) tehnoloogia uurimisse ja arendamisse üle 1 miljardi dollari. Richard E. Mistler, Eric R. Twiname. "Tape Casting: Theory and Practice", 735 Ceramic Place Westerville, Ohio, USA : The American Ceramic Society , 2000 ISBN 1-57498-029-7 . James W. Dennis. "Tape Casting Advanced Materials", www.ceramicindustry.com (kasutatud 29.10.2011, inglise keeles) . Tape casting process animation