低温共烧陶瓷银浆用有机载体的制备及性能表征

胡永才，姚英邦

（广东工业大学材料与能源学院 广东 广州 510006）

1 引言

低温共烧陶瓷内电极银浆在制备过程中需要用到丝网印刷工艺的限制，对银浆的流变性要求较高，由于银浆的制备技术已经十分成熟，并且易于生产，所以银浆现在广泛应用于电子元器件当中。然而，通过丝网印刷工艺获得高质量的银电极仍然是一个挑战，因为在现阶段的工艺水平中，很难保证低接触电阻的同时减少银浆的损耗[1]。为了克服这一系列的问题，必须对浆料的流变性和触变性进行调整，使得银浆易于丝网印刷，获得高纵横比、均匀性好的薄膜。浆料的流变性能，特别是浆料在整个印刷过程中的流动行为，包括印刷后的结构恢复，是影响浆料通过丝网印刷孔的能力和浆料在基材上不扩散的关键性能。聚合物黏结剂作为有机浆料介质中最重要的组分之一，有望在改变浆料流变特性方面发挥关键作用，从而对印刷网格线的质量产生强烈影响。

2 实验部分

2.1 有机载体的制备

按比例精确称取载体有机物各个组分，将其在玻璃烧杯中混合，放入60℃恒温油浴磁力搅拌器搅拌均匀，直至乙基纤维素、卵磷脂和十六醇等难溶物完全溶解为止，并将其保存在室温环境温度下。

有机载体的组成成分及其含量见表1。

表1 有机载体的组成成分及含量

本文通过多组对照实验，研究不同比例的领苯二甲酸二丁酯和领苯二甲酸二辛酯，以及不同含量的触变剂对有机载体的触变性和流变性的影响，其对照实验思路如下。

研究不同领苯二甲酸二丁酯和领苯二甲酸二辛酯的相对含量对有机载体的黏度以及流变性能影响，具体实施方式见表2。

表2 邻苯二甲酸二丁酯和邻苯二甲酸二辛酯的相对含量的具体实施方式

2.2 实验结果

图1展示的是有记载体重不同比例的领苯二甲酸二丁酯和领苯二甲酸二辛酯的流变曲线图。张及其团队发现他们所自备的银浆的有机载体的触变指数（他们将触变指数定义为剪切速率为5 s-1和50 s-1的黏度的比值）为9.35。从图1中可以看到，所有的有机载体样品都具有剪切变稀的行为。并且随着剪切速率逐渐降低，有机载体的黏度逐渐恢复，在图中表现为剪切黏度曲线具有迟滞现象。这一现象和浆料具有相同的趋势，进一步说明浆料的流变性能主要受到有机载体的影响。许多理论被用来解释流体的剪切变稀行为，其中许多研究者都认为，在流体静置时，颗粒在流体之间形成了网状结构，这些结构限制了有机高分子的自由流动，使得流体黏度较大，但是当外力施加之后，网状结构被破坏，有机高分子开始逐渐流动起来，所以浆料的黏度降低，从而表现出剪切变稀行为。

图1 编号1～6样品的流变曲线图

表3是样品1～6触变指数的原始数据。触变指数常常被研究者们用来研究浆料的触变性能。屈服应力也经常被用来表征浆料的触变行为。LIN[2]及其团队发现最佳的触变指数（他们将触变指数定义为剪切速率为3.84 s-1和38.4 s-1的黏度的比值）范围是2.5～3.0。

表3 样品1—6触变指数

样品（样品1～6）的剪切速率——黏度曲线图见图2。

图2 不同比例的领苯二甲酸二丁酯和领苯二甲酸二辛酯制备有机载体的（a）剪切速率应力曲线图——Bingham模型、（b）剪切速率应力曲线图——Casson模型和（c）屈服应力模拟结果图

从表3中可以看出，样品1、2、3、5均具有较高的触变指数，分别为2.26、2.10、2.07、2.24。

一般来说，对于塑性或者假塑性流体就有一定值的屈服应力。不同流体的屈服应力不同，影响材料屈服应力的因素：这种屈服应力与其结构有关，其中随机连接的颗粒或长分子链在静止时形成稳定的网络。为了模拟出自备有机载体的屈服应力（τ0，Pa），本文使用了Bingham模型（如公式1）和Casson模型（如公式2）来对有机载体剪切应力和剪切速率曲线进行模拟。Bingham模型的特殊之处在于，当剪切应力高于临界值时，剪切应力与剪切速率之间呈现出线性关系。而Casson模型的特征在于，当剪切应力超过临界值时，剪切应力和剪切速率呈现出非线性关系，但是此时剪切应力的算术平方根和剪切速率的算术平方根呈现出线性关系。许多学者也用着两个模型对流体进行模拟[3]。

此公式中τ为剪切应力（Pa）、τ0为屈服应力（Pa）、η∞为当剪切速率（γ.）趋于无穷大时的黏度。

图2展示了不同比例的领苯二甲酸二丁酯和领苯二甲酸二辛酯制备有机载体的剪切速率应力曲线图—Bingham模型、剪切速率应力曲线图—Casson模型和屈服应力模拟结果图。对剪切应力和剪切速率曲线的40～100（s-1）范围内进行拟合。根据图中得知，比例分别为0-10、2-8、4-6、6-4、8-2和10-0的样品的Bingham屈服应力的拟合值分别为658.96、545.61、564.02、37.60、578.32和397.79。比例分别为0-10、2-8、4-6、6-4、8-2和10-0的样品的Casson屈服应力的拟合值分别为252.17、187.14、197.68、1.88和119.90。这两种线性拟合都十分吻合，其线性拟合系数分别为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。通过这两个模型模拟出来的屈服应力值有较大的区别，这是正常现象。因为许多模型所适应的范围不同，并不存在着一个模型可以对所有流体的屈服应力进行模拟。根据以前的研究可以发现，Casson模型是一个半经验模型，许多油漆、油墨或者浆料都用此模型来进行拟合。图2（c）绘制了不同比例的领苯二甲酸二丁酯和领苯二甲酸二辛酯制备有机载体的屈服应力模拟结果图，结合表3分析可以知道，样品1、2、5都具有较高的屈服应力值和较大的触变指数，其结果一致。

此测试方法是先给浆料施加100 s-1的剪切速率，然后每隔5 min对浆料的黏度进行一次测量。从黏度回复性曲线图中可以看到，当领苯二甲酸二丁酯和领苯二甲酸二辛酯的比例为4:6时，浆料的回复性能最好；结合上面的实验结果综合得知，当领苯二甲酸二丁酯和领苯二甲酸二辛酯的比例为4:6时，浆料的触变性能和回复性能均较好，如图3所示。

图3 不同比例领苯二甲酸二丁酯和领苯二甲酸二辛酯的回复性曲线图

3 结语

本文研究了有机载体的不同成分对有机载体的黏度、触变性能、回复性能的影响。研究了不同比例领苯二甲酸二丁酯和领苯二甲酸二辛酯制备有机载体的性能，随着比例的增加，有机载体的黏度逐渐降低，并且其触变性也逐渐降低，当其比例为4:6时，黏度为57 Pa·s，触变指数为2.07，Bingham屈服应力为545.61 Pa，Casson屈服应力为187.14 Pa，均为较高的水平，具有良好的丝网印刷性能，比较适合于通孔浆料，当卸掉剪切应力后可以快速地恢复。