JultikaUniversity of Oulu repository

Tiivistelmä

Työn tarkoituksena on tutustua organometallisten sideaineiden käyttöön keraamikomposiittien valmistuksessa. Tekstissä muun muassa käsitellään polymeeri-keraamikomposiittien ja lasikeraamien sähköisiä ja mekaanisia ominaisuuksia, käyttötarkoituksia elektroniikassa, sekä tuotantolämpötiloja. Asioita pyritään selventämään materiaalien rakenteella ja esimerkein, sekä kuvin, jotta lukija saisi selvän käsityksen elektroniikassa käytettävistä komposiiteista.

Sen lisäksi, että tekstissä käsitellään materiaaleja, niin käsitellään myös valmistusmenetelmiä kylmäsintraus ja RTF-menetelmää, joiden pohjalta on kehitetty upside-down menetelmä, joka on tämän tutkielman pääkohteena. Aluksi kuitenkin verrataan valmistusmenetelmissä käytettäviä tuotantolämpötiloja keskenään taulukolla, sillä tuotantolämpötilat ovat hyvin keskeinen asia tässä työssä. Lisäksi käydään läpi korkeiden lämpötilojen tuomia haasteita tuotantovaiheissa, sekä esitettyjä ja tehtyjä ratkaisuja kyseiseen ongelmaan. Työssä myös tarkastellaan muiden tekijöiden, kuten jauheitten partikkelikoon, tarvittavan lämpötilan ajanjaksoa ja paineen vaikutuksia tuotteiden rakenteisiin. Huomiota myös kiinnitetään valmistusmenetelmien eri välivaiheisiin, joita käydään läpi jokaisessa menetelmässä erillisinä kappaleina.

Itse upside-down menetelmää tutkitaan tekemällä harjoitustyö. Laboratorio osiossa tehdään yhteensä 16 pellettiä käyttämällä pietsosähköistä keraami jauhetta. Pelletit jaetaan seitsemään eri koesarjaryhmään lämpötilan perusteella. Työn päätarkoituksena on selvittää, mikä on pienin tarvittava lämpötila tehdäkseen rakenteeltaan lujia ja sähköisiltä ominaisuuksilta hyviä näytteitä, joita voitaisiin esimerkiksi käyttää antenneissa. Lisäksi myös tehdään koe, jossa viimeisessä kuumennusvaiheessa jätetään paine pois. Lopuksi työssä kaikki pelletit tutkitaan LCR-mittauksilla, joilla selvitetään näytteiden permittiivisyydet ja häviötangentit taajuuksilla 20 Hz–1 MHz. Lopuksi näytteiden tulokset kootaan taulukkoon ja kaikista tuloksista tehdään kuvaajat, joista nähdään permittiivisyyksien ja häviötangenttien jatkuva lasku taajuuden suuretessa. Lisäksi kuvaajista nähdään suoraan, että isommilla lämpötiloilla 300–360 °C on paljon paremmat ferrosähköiset ominaisuudet verrattuna matalampiin valmistuslämpötiloihin.

Organometallic binders in the manufacturing of ceramic composites

Abstract

The purpose of this work is to get acquainted with the use of organometallic binders in the manufacture of ceramic composites. Among other things, the text deals with the electrical and mechanical properties of polymer-ceramic composites and glass-ceramics, their uses in electronics, and production temperatures. The aim is to clarify things with the structures and examples of materials, as well as with pictures, so that the reader gets a clear idea of the composites used in electronics.

In addition to dealing with materials in the text, the methods of cold sintering and the RTF method are also discussed, on the basis of which the upside-down method has been developed, which is the main object of this dissertation. Initially, however, the production temperatures used in the manufacturing methods are compared with each other in a table, as production temperatures are a very central thing in this work. In addition, the challenges posed by high temperatures in the production stages are reviewed, as well as their solutions are presented that are made to solve this particular problem. The work also examines the effect of other factors such as the particle size of the powders, the required temperature period and the effects of pressure on the structures of the products. Attention is also paid to the different interphases of the manufacturing methods, which are reviewed in separate chapters in each method.

The upside-down method itself is studied by doing a practical work. A total of 16 pellets are made in the laboratory section using piezoelectric ceramic powder. The pellets are divided into seven different test series based on temperature. The main purpose of the work is to find out what is the minimum temperature required to make samples with strong structural and electrical properties that could be used in antennas, for example. In addition, an experiment is also performed in which the pressure is omitted in the last heating step. At the end of the work, all pellets are examined by LCR measurements, which determine the permittivities and loss tangents of the samples at frequencies from 20 Hz to 1 MHz. Lastly, the results of the samples are tabulated and all results are plotted to show a continuous decrease in permittivities and loss tangents as the frequency increases. In addition, it can be directly seen from the graphs that higher temperatures of 300–360 °C have much better ferroelectric properties compared to lower manufacturing temperatures.