Ivanchenko S. Rheological properties and structuring of BaTiO3 nanopowder-based suspensions during the formation of dielectric layers by tape casting method

Українська версія

Thesis for the degree of Candidate of Sciences (CSc)

State registration number

0423U100180

Applicant for

Specialization

  • 05.16.06 - Порошкова металургія та композиційні матеріали

11-10-2023

Specialized Academic Board

Д 26 207 03

Frantsevich Institute for Problems of Materials Science National Academy of Science of Ukraine

Essay

This study applies several new systematic approaches to analyze the change in suspension structure under shear. A method for normalizing the thixotropy/rheopexy degree and a mathematical model for calculating hydrocluster size has been developed. Dependencies between suspension composition (powder, binder polymer, plasticizer, and solvent content) and flow parameters describing the structure were established. Relationships between suspension flow parameters (normalized thixotropy/rheopexy degree, flow behavior index, effective viscosity, and hydrocluster size) and tape properties (thickness and surface roughness) were established. The study determined the composition range of each suspension component to obtain the desired flow parameters, enabling the casting of tapes with low thicknesses and surface roughness. Mathematical models were developed to establish the dependence of suspension viscosity on tape thickness and for the shear thickening limit shear rate to determine casting regimes. The relationship between suspension temperature and tape properties was established. For the first time observed and used the phenomenon of obtaining thinner tapes from cooled suspensions. It was found that suspensions cooled to 5 °C exhibited stronger shear-thinning, restored viscosity to lower than initial values, and had a longer viscosity recovery time. This indicates the ability of structural elements to deform, preserve a new shape for a prolonged time, and the ability to rebuild the structure of the suspension through cooling and shear action. The study established that to obtain films with a surface roughness (Ra) lower than 15 nm and a thickness of 500-200 nm using the tape casting method (5-10 times less than the thickness of tapes produced by this method in the industry), rheopectic suspensions (with a T/R dgr norm ranging from -0.72 to -7.06), with flow behavior index of approximately 1 (n ranging from 0.94 to 1.08) and a viscosity of 200 1000 mPa·s (at γ=800 s-1) should be used. These suspensions should be cooled down to 5-10 °C and subjected to a shear rate ranging from 900 to 5392 s 1 during casting. Based on the established principles, tapes with a thickness of 430 nm were cast using BaTiO3 and Ni/NiO powders, and a multilayer composite was formed using the isostatic pressing method. After sintering at 1200 °C, a composite with 400 nm thick, dense layers of BaTiO3 and a grain size of 50 100 nm was obtained.

Research papers

Ivanchenko S. E., Dulina I. O., Umerova S. O., Nikulin A. G., Ragulya A. V. / Formulation and rheology of tape casting suspensions based on BaTiO3 nanopowders // Springer Proc. Phys. — Springer Science and Business Media, LLC — 2015. — Vol. 167. — P. 193–202. ISSN:09308989, 1867-4941; ISBN:978-331918542-2, 978-3-319-18543-9; DOI:10.1007/978-3-319-18543-9_11, link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-18543-9_11

Ivanchenko S., Umerova S., Baranovskyi D., Kovalenko O., Ragulya A. / Chap. 15 - BaTiO3 films for multilayer devices by tape casting // OAJ Mater. Devices. — 2022. — Vol. 5, № 2, P. 437-466, ISBN:9798583096497, ISSN:2495-3911, DOI:10.23647/ca.md20201707, http://caip.co-ac.com/index.php/materialsanddevices/article/view/117/79

Vasyliv B.D., Podhurska V.Y., Ostash O.P., Polishko I.O., Brodnikovs’kyi E.M., Ivanchenko S.E., Vasyl'ev O.D. / Influence of the Working Media of Fuel Cells on the Structure and Physicomechanical Characteristics of Ceramics of the ZrO2–Y2O3–NiO System // Materials Science, 2020. Vol. 56, P. 15–21, (2020). ISSN:1068-820X https://doi.org/10.1007/s11003-020-00391-4

Polishko I., Ivanchenko S., Horda R., Brodnikovskyi Ye, Lysunenko N., Kovalenko, L. / Tape casted SOFC based on Ukrainian 8YSZ powder // Materials Today: Proceedings, Vol. 6, P. 237–241, 2019. DOI:10.1016/j.matpr.2018.10.100, sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214785318323952

Ivanchenko S. E., Polishko І. O., Baranovskyi D. I., Brodnikovskyi Ye. M., Vasylyev O. D., Ragulya A. V. / Tape Casting of anode and electrolyte layers for solid oxide fuel cells. // Електричні контакти та електроди (збірник Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича). 2018. Вип. 1, №. 1. C. 65–72. ISSN:2311-0627, researchgate.net/publication/332320879_Tape_ Casting_of_anode_and_electrolyte_layers_for_solid_oxide_fuel_cells

Іванченко С. Е., Умерова С. О., Дуліна І. О., Барановський Д. І., Рагуля, А. В. / Реологічні властивості та плівкоутворююча здатність полімерних суспензій на основі нанопорошку BaTiO3 // Кераміка наука і життя. — 2016. — Вип. 4, № 33. — С. 39–54. ISSN 2521-6694 (print), ISSN 2521-6708 (online), DOI:10.26909/csl.4.2016.4, ceramic-journal.org.ua/index.php/csl/article/view/50/45

Іванченко С. Е., Умерова С. О., Барановський Д. І., Рагуля, А. В. Отримання тонких суцільних керамічних плівок на основі нанопорошку BaTiO3 методом плівкового лиття // Кераміка наука і життя. — 2016. — Вип. 4, № 33. — С. 55–66. ISSN 2521-6694 (print), ISSN 2521-6708 (online), DOI: 10.26909/csl.4.2016.5, ceramic-journal.org.ua/index.php/csl/article/view/51/46

Загорний М. М., Жигоцький О. Г., Іванченко С. Е., Нікулін А. Г., Рагуля А. В. / Формування композиційних плівок із нанопорошку BaTiO3 // Наноструктурное Материаловедение. — 2012. — № 1. — С. 37–45, ISSN:1996-9988

Vasylyev O. D., Brodnikovskyi Y. M., Brychevskyi M. M., Polishko I. O., Ivanchenko S. E., Vereshchak V. G. From powder to power: Ukrainian way / // SF Journal of Material and Chemical Engineering — 2018. Vol. 1, № 1. P. 1001, ISSN:2643-8100, scienceforecastoa.com/Articles/SJMCE-V1-E1-1001.pdf

Ivanchenko S. E., Dulina I. O., Nikulin A. G., Kyrpal R. O., Umerova, S. O., Ragulya A. V. / The Influence of Slip Characteristics and Casting Parameters on the Thickness of Thin Films Obtained by Tape Casting // Proc. Int. Conf. Nanomater. Appl. Prop. — 2013. — Vol. 2, № 1. — С. 1–4, 2304-1862/2013/2(1)01NTF31(4) nap.sumdu.edu.ua/index.php/nap/nap2013/paper/download/1181/569

Білоус А. Г., В’юнов О. І., Янчевський О. З., Коваленко Л. Л., Солопан С. О., Васильєв О. Д., Рагуля А. В., Бродніковський Є. М., Полішко І. О., Бродніковський Д. М., Лисуненко Н. О., Бродніковська І. В., Іванченко С. Е., Барановський Д. І. / Багатошарові структури на основі товстих плівок для низькотемпературної (600 °С) паливної комірки // Фундаментальні аспекти відновлювано-водневої енергетики і паливно-комірчаних технологій / за загальною редакцією Ю.М. Солоніна. — К.: «КІМ». 2018. С. 190–195, ISBN:978-617-628-070-5, materials.kiev.ua/Hydrogen/Book_printVer.pdf

Полішко І. О. Бродніковський Є. М., Лисуненко Н. О., Бродніковський Д. М., Бродніковська І. В., Іванченко С. Е., Барановський Д. І., Бричевський М. М., Васильєв О. Д., Рагуля А. В., Білоус А. Г., В’юнов О. І., Янчевський, О. З. Коваленко Л. Л., Солопан С. О. / Розроблення режимів виготовлення аноду та електроліту керамічної паливної комірки методом стрічкового лиття // Фундаментальні аспекти відновлювано-водневої енергетики і паливно-комірчаних технологій за загальною редакцією Ю.М. Солоніна. - К.: «КІМ». 2018. С. 184–189, ISBN:978-617-628-070-5, materials.kiev.ua/Hydrogen/Book_printVer.pdf

V’yunov O., Kovalenko L., Yanchevskii O., Polishko I., Ivanchenko S., Lysunenko N., Brodnikovskyi D., Chedryk V., Brodnikovska I., Vasylyev O. / Structural, impedance and electron-microscopic studies of multilayer systems for low-temperature (600° C) fuel cell / // Hydrog. based energy storage status Recent Dev. / Yartys V., Solonin Y., Zavaliy I. — Lviv : Prostir-M., 2021. — P. 222–228. ISBN: 978-617-8055-08-0 http://www.materials.kiev.ua/Hydrogen_2019-2021/Hydrogen_2021.pdf

Brodnikovskyi Y., Vasylyev O., Polishko I., Lysynenko N., Kovalenko L., Ivanchenko S., Brodnikovskyi D., Chedryk V., Brodnikovska I., Horda R., Smyrnova-Zamkova M., Marek I., Myslyvchenko O., Ragulya A., Orlyk S., Belous A., Vereshchak V., Nosyk A. / Development of tape casting technique regimes for manufacturing of solid oxide fuel cells // Hydrog. based energy storage status Recent Dev. / Yartys V., Solonin Y., Zavaliy I. — Lviv : Prostir-M., 2021. — P. 229–237. ISBN: 978-617-8055-08-0 http://www.materials.kiev.ua/Hydrogen_2019-2021/Hydrogen_2021.pdf

Zgalat-Lozynskyy O. B., Ieremenko L. I., Tkachenko I. V., Ivanchenko S. E., Zelinskiy A. V., Shpakova G. V., Ragulya A. V. / Tribological Properties of ZrN–Si3N4–TiN Composites Consolidated by Spark Plasma Sintering // Powder Metall. Met. Ceram. — 2022. — Vol. 60, № 9–10 (541). — P. 95–107. ISSN:10681302, DOI:10.1007/s11106-022-00272-2, https://link.springer.com/article/10.1007/s11106-022-00272-2

Zgalat-Lozynskyy O., Tischenko N., Shirokov O., Ivanchenko S., Tkachenko I., Grinkevych K., Ragulya A. / Deformation Treatment in Spark Plasma Sintering Equipment and Properties of AlON-based Ceramic // J. Mater. Eng. Perform. — 2022. — Vol. 31, № 3. — P. 2575 – 2582. ISSN:10599495, DOI:10.1007/s11665-021-06381-0, https://link.springer.com/article/10.1007/s11665-021-06381-0

Files

Similar theses