Colagem de fitas cerâmicas e impressão 3D de barbotina vítrea

Resumo

A colagem de fitas cerâmicas (tape-casting) tem sido amplamente utilizada na indústria eletrônica em capacitores multi-camadas, sistemas micro-eletro-mecânicos (MEMs) e células à combustível de óxido sólido (SOFC). Esta técnica de conformação consiste essencialmente na deposição de uma barbotina ou suspensão de partículas cerâmicas sobre uma película de polímero. Após a evaporação da fração orgânica e sinterização, obtêm-se cerâmicas na forma de filmes ou fitas finas, densas ou porosas, de espessura entre 10 mm e 1 mm. Nós projetamos e fabricamos uma máquina de tape-casting, caracterizada pela simplicidade de operação e baixo custo, para a produção de fitas homogêneas e com precisão dimensional, que permitem a realização de P&D e testes para aumento de escala de produção. Os destaques deste equipamento são o tanque de suspensão sobre uma mesa plana; a lâmina especial, um sistema de tração do filme coletor e uma mesa plana com câmara de secagem. O processo de fabricação de cerâmicas cossinterizadas a baixas temperaturas (LTCC - Low Temperature Cofired) permite a combinação de diferentes materiais, facilitando a integração de diferentes funções elétricas básicas. Uma vantagem do uso da tecnologia LTCC é a possibilidade de incorporar componentes passivos e eletrodos metálicos em substratos interconectados. Sistemas vitrocerâmicos produzidos a partir da sinterização de pós vítreos com cristalização simultânea principalmente a partir da superfície das partículas podem ser utilizados no processo LTCC. Com o controle da cristalização, as fases formadas determinarão as propriedades dielétricas e termomecânicas finais. A densificação depende diretamente do tamanho e empacotamento das partículas, da viscosidade a altas temperaturas e da cinética de cristalização. As cinéticas de sinterização por fluxo viscoso e de cristalização da superfície das partículas devem ser controladas para promover a densificação completa do material. A cristalização rápida da superfície impede o fluxo viscoso e, portanto, a densificação. Planejamos desenvolver materiais vitrocerâmicos baseados em diopsídio (CaO.MgO.2SiO2) para produzir substratos por tape-casting para a tecnologia LTCC. O diopsídio tem baixa constante dielétrica (K<10), coeficiente de expansão térmica relativamente baixo e sinteriza em baixas temperaturas (< 900 °C). Os aspectos da microestrutura do diopsídio cristalizado, tais como composição das fases, tamanho de cristalitos e porosidade inter- e intra-granular, afetam diretamente suas propriedades dielétricas, mecânicas e térmicas, e podem ser controlados para maximizar seu desempenho. A impressão 3D com precisão também foi recentemente demonstrada em vidro de sílica de alta pureza e respectivas propriedades químicas e físicas. A resolução alcançada foi de poucos micrômetros. As estruturas podem ter dimensões na faixa de alguns centímetros. Estruturas pequenas e complexas foram produzidas, assim como sistemas analíticos muito pequenos podem ser feitos a partir de tubos de vidro miniaturizados para tecnologias biológicas e médicas. Uma variedade de áreas em óptica, desde óculos com requisitos especiais até lentes para câmeras de laptops, pode se beneficiar dessa tecnologia. Com foco nos processos de manufatura acima, o pesquisador explorará as possibilidades dessas técnicas.