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Constraint and anisotropy during sintering of a LTCC material

Ollagnier, Jean-Baptiste :
Constraint and anisotropy during sintering of a LTCC material.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Constraint and anisotropy during sintering of a LTCC material
Language: English
Abstract:

The present work deals with a continuum mechanical description of sintering of glass ceramic materials used in the Low Temperature Co-fired Ceramics (LTCC) technology. In a first part of this thesis, uniaxial viscosity and viscous Poisson's ratio of an LTCC system were successfully determined. Since the magnitude of the loads and density range for which they were applied was crucial for the anisotropy development, discontinuous sinter forging (DSF) for a validity range of 0.5% of relative density was performed. When anisotropy was induced, the apparent value of the uniaxial viscosity changed drastically and reached a maximum soon after applying large loads. Sintering parameters were further correlated to microstructure: the microstructure became more anisotropic since pores and alumina particles oriented to a large extent perpendicular to the applied load. As a result, the apparent uniaxial viscosity increased. The obtained uniaxial viscosities measured by DSF increased with density and by decreasing the sintering temperature. The viscous Poisson's ratio presented the same trend for both sintering temperature profiles with a small initial decrease, attributed to the anisotropic free sintering behavior and then an increase, attributed to the increase of density. The second part of this thesis was to study the sintering of laminates. Two case studies have been investigated experimentally and theoretically: (i) asymmetrical bi-layers and (ii) symmetrical sandwich structures. For each case, elastic and viscous materials were used as constraining substrates. In the first case, an asymmetric stress state arose due to the differential shrinkage and lead to the camber of the sample. With a viscous constraining substrate, two available models (models by Cai and Kanters) were discussed and compared to experiments. The isotropic simulation failed to reproduce quantitatively the experimental results. It was mainly attributed to the significant anisotropy development due to the constraint. A new model was developed to describe the camber of a viscous layer on an elastic substrate. In the second case, when the constraining substrate did not allow any in-plane shrinkage, the shrinking layer was fully constrained. Isotropic modeling failed to predict the densification behavior of such laminate since it exhibited a limit of densification. Evidences of anisotropy were highlighted: (i) pore area increased by a factor of about 20 at 86% of relative densities compared to pore area determined for freely sintered samples and (ii) pores were oriented in the perpendicular direction to the plane of the laminate. It was further experimentally observed that the densification behavior and microstructure depended to a large extent on the Young's modulus of the outer layers of a sandwich structure. A simple theoretical approach was developed to account for the elastic deformation of the constraining layers. It was determined that the stress built into the shrinking layer was reduced by this effect.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In der vorliegenden Arbeit wurde das Sinterverhalten in der „Low Temperature Co-fired Ceramics“ (LTCC) Technologie benutzten Glaskeramiken mit konstitutiven Sintergleichungen bestimmt. Im ersten Teil dieser Dissertation wurden die uniaxiale Viskosität und der viskose Poissonkoeffizient mit einer Sinterumformanlage erfolgreich bestimmt. Da die Höhe der Belastungen und die Dichteintervalle, für die sie angewandt wurden, entscheidend für die Anisotropieentwicklung ist, wird Diskontinuierliches Sinterumformen (DSF) mit Dichteintervallen von 0,5% verwendet. Wenn Anisotropie induziert wird, hat sich die uniaxiale Viskosität drastisch verändert und ein Maximum wird bald nach dem Auftragen von großen Lasten erreicht. Sinterparameter wurden weiter mit Gefügeparametern korreliert: die Mikrostruktur wurde anisotrop, da Poren und Aluminiumoxid-Partikel zu einem großen Teil senkrecht zur Last ausgerichtet waren. Dadurch steigt die uniaxiale Viskosität an. Weitere gemessene uniaxiale Viskositäten mit DSF steigen mit Dichte und durch die Senkung der Sintertemperatur an. Der viskose Poissonkoeffizient zeigt den gleichen Trend für beide Sintertemperaturprofile auf: der viskose Poissonkoeffizient senkt sich bei niedriger Dichte (wegen Anisotropie des freien Sinternverhaltens) und dann steigt er an (wegen der Erhöhung der Dichte). Der zweite Teil dieser Dissertation bestand in der Untersuchung von Sintern von Schichten unter geometrischer Einschränkung. Zwei Fallstudien wurden experimentell und theoretisch untersucht: (i) asymmetrische Doppelschichten und (ii) symmetrische Sandwich-Strukturen. Für jeden Fall wurden elastische und viskose Materialien als Substrate benutzt. Im ersten Fall entstand ein asymmetrischer Spannungszustand aufgrund der differentiellen Schrumpfung und dies führte zur Krümmung der Probe. Mit einem viskosen Substrat wurden zwei verfügbare Modelle (Modelle von Cai und Kanters) diskutiert und mit experimentellen Ergebnissen verglichen. Die isotrope Simulation konnte nicht die experimentellen Ergebnisse quantitativ reproduzieren. Dies lag hauptsächlich an der Anisotropieentwicklung aufgrund der geometrischen Einschränkung. Ein neues Modell wurde entwickelt, um die Krümmung einer viskosen Schicht auf einem elastischen Substrat zu simulieren. Im zweiten Fall, wenn das Substrat keine Schrumpfung in der Ebene zuließ, war die schrumpfende Schicht vollständig eingeschränkt. Isotrope Modellierung konnte nicht das Verdichtungsverhalten eines solcher Laminats voraussagen, da sie eine Begrenzung der Verdichtung zeigte. Beweise der Anisotropie wurden hervorgehoben: (i) Porenflächen stiegen um einen Faktor von etwa 20 auf 86% der relativen Dichte im Vergleich zu frei gesinterten Proben und (ii) die Porenausrichtung war senkrecht zur Ebene des Laminats. Es wurde ferner experimentell beobachtet, dass das Verdichtungsverhalten und Gefüge zu einem großen Teil vom E-Modul der äußeren Schichten einer Sandwich-Struktur hängt. Ein einfaches theoretisches Modell wurde entwickelt, um die elastische Verformung der eingeschränkten Schichten zu berechnen. Es wurde festgestellt, dass die Spannung in der schrumpfenden Schicht reduziert wurde.German
Uncontrolled Keywords: anisotropy; constraint; sintering; glass; microstructure; sinter-forging
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
anisotropy; constraint; sintering; glass; microstructure; sinter-forgingEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:23
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-10982
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Rödel, Prof. Dr.- Jürgen and Riedel, Prof. Dr. Ralf
Refereed: 25 June 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1098
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