Synthesis and processing of Ti3SiC2-based inks via ink-jet and screen printing technology for eletronic applications

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Carrijo, Mylena Mayara Matias
Data de Publicação: 2018
Tipo de documento: Tese
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/189917
Resumo: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2018.
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spelling Synthesis and processing of Ti3SiC2-based inks via ink-jet and screen printing technology for eletronic applicationsEngenharia de materiaisSerigrafiaImpressoras a jato de tinta (Computadores)Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2018.Neste trabalho, é apresentada composições de tintas de Ti3SiC2 para o processamento via serigrafia e impressão à jato de tinta, para uso em dispositivos eletrônicos. Para o processo de serigrafia, foi investigada a influência de diferentes quantidades de cargas de enchimento (Ti3SiC2) (20 a 40 vol%) e ligante (EC - etilcelulose) (0 a 5 vol%) nas propriedades das pastas (reologia, rugosidade e microestrutura), bem como na qualidade de impressão. Como substrato de impressão, foram utilizados laminados de Al2O3 produzidos através do técninca de produção de papéis pre-cerâmicos. Os filmes impressos foram sinterizados durante 1 h a 1600 °C em argônio. As pastas de Ti3SiC2 com maior viscosidade, como as pastas contendo 30 vol% e 40 vol% de Ti3SiC2, produziram filmes com superfícies mais regular e a melhor qualidade de impressão independentemente da quantidade de EC. Análises de DRX e MEV mostraram que apenas as pastas com 30 vol% de Ti3SiC2 na sua composição inicial apresentaram TiC como fase primária e Ti3SiC2 como fase secundária após a sinterização, sugerindo a decomposição parcial do Ti3SiC2. Para as demais pastas ocorreu a decomposição total do Ti3SiC2. A condutividade elétrica dos filmes impressos com 30 vol% de Ti3SiC2 na sua composição inicial e diferentes quantidades de EC variou de 1.25 ? 105 S.m-1 a 2.84 ? 105 S.m-1 em uma faixa de temperatura de 25 °C a 400 °C. A síntese in situ do Ti3SiC2 via serigrafia a partir dos pós elementares de Ti, TiC, Si e graphite também foi realizada com sucesso. Após a sinterização durante 5 h a 1400 °C em argônio, pastas com TiC e excesso de Si na sua composição incial apresentaram uma alta qualidade de impressão com Ti3SiC como fase primária e Ti5Si3Cx como fase secundária. A condutividade elétrica dessas amostras variou de 4.63 ? 104 S.m-1 a 2.57 ? 104 S.m-1 em uma faixa de temperatura de 25 °C a 400 °C. Para o processo de impressão à jato de tinta, foi feita a formulação de uma suspensão aquosa de Ti3SiC2 para utilização como tinta. Para obter o padrão de tinta requerido pela impressora utilizada, foram realizados processo de moagem de alta energia, análises reológicas e de potencial zeta. Polietilenimina (PEI) foi utilizado como dispersante e a faixa de printabilidade (Z) foi calculada. Foi obtida uma suspensão aquosa contendo 0.05 vol% de Ti3SiC2, 2% em massa de PEI e 40% em massa de glicerol, pH 4.3 e o valor de Z igual a 11. Como superfície de impressão, foram utilizados vidro, KOH e ITO (Óxido de índio-estanho).Abstract : In this work, the formulation of a novel Ti3SiC2 ink for screen printing and ink-jet printing, for subsequent use in electronic devices is presented. For the screen printing process, the influence of different amounts of Ti3SiC2 filler (20 to 40 vol%) and binder (EC - ethyl cellulose) (0 to 5 vol%) on the pastes properties, such as rheology, roughness and microstructure as well as the printing quality were investigated. The pastes were screen printed onto paper-derived Al2O3 substrates and sintered for 1 h under an argon atmosphere at 1600 °C. Samples with higher viscosity, such as pastes containing 30 vol% and 40 vol% Ti3SiC2 gave the smoothest surfaces and highest printing quality regardless of binder. XRD measurements and SEM analysis showed that only pastes with an initial 30 vol% Ti3SiC2 yielded TiC as a primary phase and Ti3SiC2 as a secondary phase after sintering, suggesting partial decomposition of Ti3SiC2. For the others samples the total decomposition of Ti3SiC2 occurred. The electrical conductivity of pastes with an initial 30 vol% Ti3SiC2 and different amounts of EC ranged from 1.25 ? 105 S.m-1 to 1.25 ? 105 S.m-1 in a temperature range from 25 °C to 400 °C. The in situ synthesis of Ti3SiC2 from elementary powders Ti, TiC, Si and C via screen printing was also successfully performed. After 5 hours sintering at 1400 °C, pastes with TiC and excess Si gave a high printing quality with Ti3SiC2 as the primary phase and Ti5Si3Cx as a secondary phase. The electrical conductivity of these samples was found to range from 4.63 ? 104 S.m-1 and 2.57 ? 104 S.m-1 in a temperature range of 25 °C to 400 °C. For the formulation of an aqueous Ti3SiC2 suspension for use as an ink for direct ceramic ink-jet printing, a preliminary study was performed in order to determine the required grain size of Ti3SiC2 powder and the fluid properties of the suspension for the chosen printer. A high energy milling process, zeta potential and rheological analysis were carried out to achieve the ink pattern required. Polyethylenimine (PEI) was used as a dispersant and the range of printability was calculated from the inverse of the Ohnesorge number (Z). An aqueous suspension containing 0.05 vol% Ti3SiC2, 2 wt% PEI and 40 wt% glycerol, at pH 4.3 and Z-value of 11 was obtained. As a printing surface, glass, KOH and ITO (indium tin oxide) were used.Rambo, Carlos RenatoTravitzky, NahumUniversidade Federal de Santa CatarinaCarrijo, Mylena Mayara Matias2018-09-15T04:44:48Z2018-09-15T04:44:48Z2018info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis147 p.| il., gráfs.application/pdf354110https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/189917engreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2018-09-15T04:44:49Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/189917Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732018-09-15T04:44:49Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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