（机械电子工程专业论文）平口动压悬浮陶瓷流延成型技术的计算机仿真.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 为了解决电子陶瓷薄膜的高精密与超薄化流延问题，将硬磁盘系统中磁头相 对磁盘的动压悬浮原理运用于电子陶瓷流延，建立了动压悬浮流延法。该理论使 流延口随外界的起伏而起伏，与扰动达到随动效应，保证流延薄膜的均匀稳定性。 采用动压悬浮流延法设计了一台小型流延机，介绍了流延机的总体构成，并 对主要部件。流延头、走带传输装置、驱动与挤压装置、干燥装置、浆料供给系 统、控制系统的设计进行了详细的阐述。 根据流延机的结构采用刚性圆柱润滑理论，建立了牛顿流体等温条件下的稳 态雷诺方程式和流延间隙的表达式，利用! i a t l a b 进行数值计算分析，得到流延间 隙内的稳态压强分布。为了对非稳态流延的进行研究，建立了含时变项的非稳态 雷诺方程，参照磁头相对磁盘的模型，建立了动压悬浮流延系统的动力学模型和 动力学方程式。采用摄动理论和无量纲法对雷诺方程和动力学方程式进行简化， 求得动态压强分量的表达式，进而求出流延过程中浆料的刚度和阻尼系数。 依据动力学方程式研究了系统的稳定性，采取给系统在两个自由度方向均外 加阻尼的方法来提高系统的稳定性。研究了流延辊子误差作用下系统的响应，仿 真讨论了流延系统结构参数( 流延出口间隙、流延辊子半径、流延唇口长度、板簧 悬伸长度) 和工艺参数( 流延速度、输入压强、浆料粘度) 对系统稳定性和激励响应 的影响规律。 对流体膜中的微元体进行受力分析，推导出流延湿膜厚度的表达式。仿真讨 论了流延系统的结构参数和工艺参数，对辊子误差作用下湿膜厚度的波动和流延 系统随动效应的影响。 采用正交试验法并结合各参数对流延湿膜厚度的影响规律，求出一组优化参 数，该参数下的系统在流延辊子误差比流延膜厚度本身大的情况下，始终保持湿 膜厚度 5 l im ，误差在1 8 内。实现了利用动压悬浮流延原理达到无需无限提高 系统的机械几何精度却能制造出比机构本身精度高出许多的超薄、高精密流延膜。 关键词：动压悬浮流延；流延机；电子陶瓷薄膜；动态特性； 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt oa c h i e v eh i l g hp r e c i s i o na n ds u p e rt h i ne l e c t r o n i cc e r a n l i cs h e e t si nt a p e c a s t i n g , t h eh y d r o d y n a m i cf l o a tt h e o r yo f t h eh e a d - d i s ki nm a g n e t i cr i g i d - d i s kr e c o r d i n g d e v i c e si su s e df o rt h et a p e - c a s t i n g a n dan 州t e c h n o l o g yt h a th y a r o a y n a m i cf l o a t t a p e - c a s t i n gi sf o u n d e d w i t ht l a eh e l po ft h et l a e o 啦l a p e - c s s l 她l i pf l u c t u a t e si n a c c o r d a n c ew i t ht h eo u t s i d eu n d u l a t i o n , s oi tc a l la c h i e v ec o n s i s t e n te f f o r t s 、械t h d i s t u r kt h a te n s u l e su n i f o r m i t ya n ds t a b i l i z a t i o no f t a p e - c a s t i n gt h i ns h e e t s as m a l l 切p c 吒鼬t i l l gm a c h i n eu s i n gh y d r o d y n a m i cf l o a tu l o e - c a 咖h a sb e e n d e s i g n e , t1 1 把w h o l ec o m p o s i n gi si n t r o d u c e d a n dt h ed e s i g no fp r i m a r yc o m p o n e n t s i n c l u d i n gt a p e - c a s t i n gh e a d , t r a n s m i s s i o ne q u i p m e n t s ，d r i v i n ga n de x t r u s i o ne q u i p m e n t s , d r y i n ge q u i p m e n t s s l u r r yp r o v i d i n gs y s t e ma n dc o n t r o l l i n gs y s t e m 啦e x p l a i n e d d e t a i l e d l y a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ea n dm a r t i nt h e o r y , i s o t h e r m a lr e y n o l d se q u a t i o no f n e w t o nf l u i da n dt a r , e - c a s t i n gg a pe x p r e s s i o na 把e s t a b l i s h e d u s i n gm a t l a bt o c a l c u l a t ea n da n a l y z e , s t e a d yp l e 豁u mi nt h et a p e - c a s t i n gi sg a i n e d i no r d e rt or e s e a r c h u n s t e a d yt a p e - c a s t i n g , t m s t e a d yr e y n o l d se q u a t i o nt h a ti n c l u d e sl i m ec h a n g i n gi t e m i sf o u n d e d c o n s u l t i n gt h em o d e lo ft h eh e a d - d i s ki nm a g n e t i cr i g i d - d i s k d y l l l a m i c m o d e la n dc l y m m i ee q u a t i o no f l a y a r o a y r j a m i ef l o a tt a p e - e s s 衄a i ee s t a b l i s h e d u s i n g p e r t u t t 僦o nt h e o r ya n dd i m e n s i o n l e s sg o v e r n i n gt op r e d i g e s tr e y n o l d se q u a t i o na n d d y n a m i ce q u a t i o n , s ot h ee x p r e s s i o no fd y n a m i cp r e s s u r ee m b r a n e h m e n tc a nb e a c q u i r e d a n ds t i f f n e s sa n dd a m p i n gc o e f f i c i e n tc 觚b ea 牡a i n e d w i t ht h eh e l po f t h e ( 1 y l m l i ee q u a t i o n , s y s t e ms t a b i l i t yi sr e s e a r c h e d s t a b i l i t yh a s b e e ni m p r o v e db ya d d i n gd a m p i n gi nt w o - d e g r e e so ff l e e d o m t h es y s t e m 代s i n 辩 c a u s e db ye l t o ro f 诅非心豁血l gr o l lh a sb e e ns t u d i e d s t r u c t u r ea n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r s i n f l u e n c er u l e so ns y s t e ms t a b i l i t y 锄di n v i g o r a t i v el 豁- p o l l s eh a sb e e ns i m u l a t e d t h e s t r u c t u r ep a r a m e t e r si n c l u d et a p e - c a s t i n ge x i tg a p , r o l lr a d i u s ，l i pl e n g t h , e x t e n d e db o a r d l e n g t h , a n dt h e t e e l m i e a lp a r a m e t e r si n c l u d ev e l o c i t y , m p u t t i n gp r 嚣s u 陀，l i q u i d v i s c o s i t y f o r c e so f t i n yc e l li nl i q u i d 疵s t u d i e a t l a i e k n e s se x p r e s s i o no f t a p e - c a s t i n gg r e e n s h e e t si sd e d u c e d 1 1 地t h i c k n e s su n d u l a t i o no fg r e e ns b 艚t sc a u s e db ye 舢o f 鲨里垄王查堂堡主兰垡堡苎一 t a p e - c a s t i n gr o l la n d t h ec o n s i s t e n c yw i t hf f t t o l h a v eb e e ns t u d i e d , a n di n f l u e n c e sa b o u t s t r u c t u r ea n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r s 黜s i m u l a 衅 u s i n go r t h o g o n a le x p e r i m e n t c o m b i n gp a r a m e t e r s e f f e c to nt h i c k n e s so f t a p e - c a s t i n gg r e e ns h e e t s o p t i m i z a t i o np a r a m e t e r s f l i n go b t a i n e d t h er o l le r r o ri sb i g g e r 血吼t h el h i c k n e s so fg r e e ns h e e t s , b u tw i t ht h eo p t i m i z a t i o np a r a m e t e r s ，t l l eg r e e n s h e e t sk e e pt h i c k n e s su n d e rf i v em i c r o na n de l r o l u n d e ro n ep o i n te i g h tp e r c e n t s i t p r o v e dt h a th y d r o d y n a m i c f l o a tt a p e - c a s t i n gw i t h o u ta d v a n c i n gm e c h a n i c a la n d g e o m e t r i c a lp r e c i s i o n si l l i m i t a b l y , t h e 酬l p e rt h i na n dh i g hp r e c i s i o n st a p e - c a s t i n gt h i n s h e e t sw h o s ep r e c i s i o n si sh i g h e rt h a nt h em a c h i n e 眦a t t a i n e d k e yw o r d s ：h y d r o d y n a m i cf l o a tt a p ec m i n g ；t a p e - c a s i i n gm a c h i n e ；e l e c t r o n i c 。 c e r a m i ct h i ns h e e t s ；d y l l a l n i cc h a r a c t e r i s t i c s 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：侃字 日期 ：卿年3 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：觎复指导教师签名：孑勿砂哆 e t 期：聊弘7 e l 期：狮：3 、j 第l 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 陶瓷流延成型( t a p e c a s t i n g ，亦称d o c t o r - b l a d i n g 或k n i f e c o a t i n g ) 是指 在陶瓷粉料中加入溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂等成分，得到分散均匀的稳定 浆料，在流延机上制得要求厚度薄膜的一种成型方法“一。流延成型的主要优点是 适于成型大型薄板陶瓷或金属部件，这类部件几乎不可能或很难通过压制或挤制 成型，而通过流延成型制造各种尺寸和形状的坯体则很容易，且能保证坯体质量 “一。由于陶瓷流延成型具有设备简单、可连续操作、生产效率高、自动化水平高、 ，一 ： ， 。 工艺稳定、胚体性能稳定等一系列特点优点，因此，在超薄陶瓷材料的成型工艺 中得到了广泛的使用m 。陶瓷流延成型多用于生产多层电容器、多层陶瓷基片、微 型电子组件、热敏电阻、传感器、二次电池、燃料电池，热电变换组件，现在更 是涉及到电话和手提电脑的锂电池薄膜以及电子产品的封装，正在向航天、航空、 卫星以及半导体芯片等高新技术领域进军一“。 ， ” 随着电子组件的小型化及大规模集成电路及电子封装的迅速发展，对电子陶 瓷薄膜或基片的厚度和精度的要求也越来越高。据报导目前已有流延成型厚度为3 nm 的产品，另有研究学者在普通的流延成型机上成型了厚度为1 2 pm 3 m m 的薄 膜“一要实现超薄、高精度的陶瓷薄膜或基片的发展趋势，除了必须有严格的工 艺与环境支持以外。更重要的是具备高精密的流延机械设备。当膜厚降到1 0 l lm 以下时，对流延机的几何，运动精度的要求也响应地提高，这给流延机的设计、， 加工制造，乃至系统控制带来了很大的困难。而且我国用于生产陶瓷流延膜的设 备大多靠从国外引进，我国先后从德国的莱芬豪森( r e i f e n h a u s e r ) 、巴尔马 ( b a r m a g ) 、巴登费尔德( b a t t e f e l d ) ，日本的三菱重工、日本制钢所、日本摩登机 械设备公司，意大利的柯林斯( c o l i n e s ) 、道尔奇( d o l c i ) 等，引进了流延膜生产线 m 。国外引进的设备费用特别高，如日本h i r a n o 、t e c s e e d 公司的m 2 0 0 l 流延机高 达6 0 多万美元，使得国内中小企业无法负担这一昂贵的费用，严重阻碍了我国电 沈阳理工大学硕士学位论文 子组件制造水平的提高m 。 在电子陶瓷薄膜与基片的流延过程中爵影响薄膜超薄化与厚度精密化的核心 一一 因素有两个：一是陶瓷流延浆料的化学、物理特性决定的流延工艺，二是以机械 学和流体力学为基础的流延方法。大量的研究资料表明“叶一，目前国内外学者的研 ，t ，j ， 究主要集中在流延过程中流延浆料的物理、化学性质方面，对机械方法的创新和 流延系统动特性方面的研究甚少，基于这些问题，本文提出了一种将磁头相对磁 。 、“ ， _ 盘的动压悬浮原理运用于电子陶瓷薄膜流延的新技术。并在此基础上讨论了电子 陶瓷薄膜流延机的设计、动压悬浮流延模型的建立及动压悬浮流延系统静动态特 性的分析，目的是达到在无需流延机几何、运动精度很高的条件下，制造出比流 ： 延机本身精度高出许多的超薄陶瓷薄膜或基片的效果。 1 2 流延技术的发展现状 i 2 1 国内外流延成型方法的研究现状 流延成型是薄片陶瓷材料的一种重要成型方法，该i 艺是由g l e n nn h o w a t t 首次提出并应用于陶瓷成型领域，并于1 9 5 2 年获得专利m m ：随后，流延成型法得 到了广泛的应用与发展，发明了多种流延方法i 根据流延的层数可分为单层流延 和多层流延，其中单层流延又分为：b l a d e ，c o a t i n g ( 舌i j 刀流延) 、c 鲫晤。c o a t i n g ， k i s sc o a t i n g 、l i pc o a t i n g ( 唇口流延) ，d i p c o a t i n g ( 浸则流延) 、r o dc o a t i n g ( 刮 棒流延) ：k n i f ec o a t i n g ( 刮板流延) 、a i rk n i f ec o a t j n g ( 气刀流延) ：g r a v u r e c o a t i n g ( 凹板流延) 、，f o r w a r d1 | r o l lc o a t i n g ( 顺转辊流延) “： r e v e r s er o l l c o a t i n g ( 逆转辊流延) 、s l o tc o a t i n g ( 条缝流延) 、e x t r u s i o nc o a t i n g ( 挤压流延) 等，多层流延包含：s l i d e c o a t i n g ( 坡流流延) c u e t a i n c o a t i n g ( 落帘流延) 等u ， 表1 1 给出了一些典型的流延方法。 2 第1 章绪论 名称与原理图原理与特点名称与原理圈原理与特点 1 用挠性或刚性斜刮 j j j 刀从运动的片幅上刮 除多余的液体。刮刀 整 1 适合粘度在1 压入片幅可以获得光3 0 0 p a s ，特别适合粘 滑的涂层表面i度较高的浆料l 2 适合粘度在0 5 2 涂层厚度在2 0 p m 以 4 0 p a s 的浆科，对较 上l； b l a d cc o a t i n g高粘度更优；3 可以用于各种用途 3 涂层厚度通常大于的涂层 i 2 0 n _ ，厚度均匀性 差。 簪 1 适于低粘度的浆 矿 1 最小涂层厚度可以 达到5 u _ ，流延精度 料； 9 高，厚度均匀； 2 比其它流延方法易 2 适合的浆料粘度范 操作，涂层厚度取决 围较广，对低粘度浆料 于粘度，但难以控制 更优 3 设备精度高，流延头 l i pc o a t i n g 制造困难，成本较高 1 最古老的流延方1 绕线棒用于从莲明 照 法，连续的流延基片 箝 片幅上刮除多余的液 浸入流延浆料，然后体，刮棒转动的方向使 随流延辊的转动拉出绕线绕紧的方向最好。 浆料，浆料被涂在基2 适合粘度在0 0 2 片上。i p a s 2 涂层的厚度由浆料3 涂层厚度在5 5 0 p 的粘度、密度、速度_ ，厚度均匀性差。 和拉出角决定。 蟛7 1 用空气吹去多余韵 纛 1 刮刀将刻在辊子上 的小坑钟存留的多余 浆料；浆料刮除，然后压入小 2 适合低粘度的浆坑的的流体转移到片 料，粘度在0 0 0 5 幅； 0 5 p a s ：2 适合粘度在2 p a s 3 ，涂层的厚度由车速掣m 删略以下： 和粘度决定3 涂层厚度在3 3 0 4 m 。 。丛 1 适合粘度在0 0 1 确 1 多层流延，独立的 矩形板依次叠在。起 使条缝中挤出的流体 2 p a s ： 沿斜面流下，流体层在 2 比其它流延方法易 坡流嘴和片幅问形成 操作，涂层厚度取决涂珠涂于片幅上； 于粘度，但难以控制； 、m i d c 劬蜷 2 所有浆料必须由片 3 涂层质量差幅带走，不允许积累； 3 能实现坡流上的流 层互不混层。 沈阳理工大学硕士学位论文 从表1 1 可知，按照粘度戈! | 分，适合高粘度的流延方法有：b l a d ec o a t i n g 、 c o 蛐ac o a t i n g ，。适合低粘度的流延方法有；k i s s c o a t i n g i p c o a t i n g ，0 0 d 一 ， 、 c o a t i n g 、a i rk n i f ec o a t i n g ，g r a v u r ec o a t i n g 、d i pa n ds q u e e z ec o a t i n g ，d i p c o a t i n g 和s l i d ec o a t i n g 适合于多粘度的浆料流延。按流延膜厚度和精密程度划 分，膜厚度相对大，厚度均匀性差的流延方法有：b l a d ec o a t i n g 、k i s sc o a t i n g 、 d i pc o a t i n g 、r o dc o a t i n g 、d i pa n ds q u e e z ec o a t i n g 流延膜厚度相对小，精 密度相对高的流延方法有：l i pc o a t i n g 、g r a v u r ec o a t i n gr o ： ，； 由于b l a d ec o a t i n g 和s l o tc o a t i n g 操作简单且厚度容易控制，是目前最为 广泛采用的流延方法。由于本文设计的流延机要达到流延膜厚在l l o i t m ，精密 度在士o 5 斗m ，且生产电子陶瓷基片的材料主要有。厶qta l n 、s i c 和鼹等 f 7， i l m , d j t 粘度都很低，如4 z q 和a n 浆料粘度 l p a s ，因此基于以上要求，根据 表1 1 本设计采用l i pc o a t i n g ( 唇日流延) 。 1 2 2 国内外流延成型机理的研究现状 目前为止，关于流延成型原理的研究主要来 源于国外，在这一研究领域上国内几乎是一个空 自。c h o uy 最早对流延湿膜厚度进行理论分 析预测哪j 他将浆料视为牛顿流体，认为图1 1 ： 所示的流延浆料流动是由内部压力与底部平板拖 拽的线性结合。r i n gta t w 用b i n g h a m 方程式模 图1 i 流延示意图 拟了流体的流延特性，b i n g h a m 方程描述了在一定区域内牛顿流体的剪切力与剪切 率的关系，r i n gta w 根据剪切力的增长将区域分为流动与非流动区。h 哪gxy ， l i uhq 和g o n ghq 等用h e r s c h e l b u l k l e y 模型对流体的流延特性做了进一步的 分析，但是没有对流延特性的进行精确的预测。h e r s c h e l - b u l k l e y 模型是从流 体的粘塑性上入手研究流动与非流动区的剪切力的增长m ，。 t o kiyh l f r e d ，b o e yycf r e d d y 等将流体视为的非牛顿流体“一，采用o s t w a l d 模型研究的剪切力表达式，他们认为流延间隙内的速度分布是由压力与载带的运 动共同造成，给出了速度的具体表达式，并根据质量守恒定律研究了从浆料的制 第l 章绪论 备到流延出口到展开再到干燥的过程中的由于损失，干燥等造成的膜厚变化情况， 给出了干燥后的最终成膜厚度的计算式( 卜1 ) ，并根据式( 卜1 ) 模拟了膜厚与流延 速度的关系，并将实验数据与理论值进行了比较。如图( 2 ) 所示m 。 = f 巡l ( 1 n + 2 ) k 。 u 蜘 警+ m t ， 式中： 屯_ 干燥后的流延膜厚度； 。 出口处的流延问隙； 一背离牛顿流体的度量数； ：a p 静态压强梯度；，。， 工流延长度： 七一流体的密度参数； u ! 流延速度；? 见一干燥前流延浆料的牯度； 口二湿膜展成中由于宽度造成的湿膜厚度变化参数； 干燥过程中密度的变化参数。 ： 喜，- l ： 耋： 叶e 州 图1 2 流延间隙为o 4 舶的膜厚与速度关系的理论与实验对比图。 大量文献表明，国外学者主要从实验入手，根据实验数据分析实验条件满足 的数学模型一主要研究了流延速度对流延膜厚的影响，剪切率与剪切力的关系， 流量与膜厚的表达式等m t w 。但总的来说，国外学者在流延机理方面的研究较少， 国内的研究更是几乎等于零国内外学者都把流延的重点放在了对流延材料，浆 料的制备等工艺方面m 一。 沈阳理工大学硕士学位论文 ，。2 3 国内外流延成型工艺的研究现状 流延成型工艺包括浆料的制备、流延成型、手燥、脱脂和烧结等几个环节， 其流延工艺流程图见图1 1 。 图1 3 流延法制备陶瓷薄片的工艺流程图4 “ 按流延工艺中所用的溶剂来分，可分为非水基流延和水基流延。传统的流延成 型法是非水基流延，制备的陶瓷坯片结构均匀、强度商、柔韧性好，便于切割加 工，在工业中已广泛使用一。但是由于在浆料中使用了大量易燃、有毒的有机溶 剂，对人体和环境都会造成一定的危害，而且成本高。因此，水基流延技术的研 究已成为新的趋势“一一，水作为溶剂优点是成本低、无毒、无污染、便于大规模投 产；其缺点是t l l , j 2 l ；1 对粉料的湿润性较差、挥发慢和干燥时间长；2 浆料除气较 困难；3 流延成膜厚陶瓷坯片柔韧性较差，容易出现裂纹缺陷，强度不高等。 基于水基流延工艺的不足，发明了紫外引发聚合流延工艺。即在陶瓷浆科中 加入紫外光敏单体和紫外光聚台引发剂，对流延后的浆料施加紫外光辐射，引发 单体聚合，使浆料原位固化，达到成型目的m 。与传统流延成型工艺相比，紫外引 发聚合流延成型工艺的个最大特点是不使用溶剂。因而不需要干燥工序，既可 以节约时问，又可以避免干燥收缩和开裂现象，提高生产成品率。但是紫外引发 聚合流延存在以下缺点“，：整个工艺过程要保持温度在5 0 ；l 上，以保证浆料必要 的流动性，给操作带来不便：而且聚合过程中所需的紫外光强度在4 5 0 r o w c m 左 布，对人体具有危害，应采取有效的防护措旌“1 。 ， 水基凝胶流延成型工艺是一项由清华大学胶态成型研究所首次提出的新型成 型技术。它也是利用有机单体的聚合反映完成浆料的固化成型，与紫外聚合流延 第l 章绪论 成型不同的是，水基凝胶流延成型是有机单体在加热条件下由引发剂引发氧化还 原反应，导致浆料的凝胶化而达到固化成型的目的n 一。其优点是：可以极大地降 低浆料中有机物的使用量，提高浆料的固相含量，因而提高生坯的密度和强度， 同时大大减轻环境污染，并显着降低生产成本“一。 1 2 4 国内外流延机的现状 随着电子技术的发展，对作为集成电路重要支柱的陶瓷基片提出了更高的要 求，相应的对电子陶瓷薄膜流延机的要求也越来越高。一直以来，我国生产超薄 高精密的陶瓷薄膜或基片的流延机主要靠国外引进，美国的y a s u i s e i k i 公司、 美国a 删公司、美国的a 脚公司、斯洛文尼亚k e k 0 公司和日本的平野株式会社等 是全球生产高精密流延机设备的主要厂家，其产品种类多，精度高，能满足流延 设备多样化的要求。 按照采用的流延方法不同可将当前世界所生产的流延机主要分为以下几种， 见表1 2 。从国内外现状来看，流延机又可以分为以下几类： 1 平板流延机，载带是平板，材料多为玻璃。如日本本社化工机械部的c a p c o a t e r ，是一小型的平板流延机。 一 2 铜带流延机，载带是钢带，1 一般钢带较长，钢带流延机体积相对较大如 表1 1 中b l a d ec o a t i n g 下的第二个流延机图。 3 薄膜流延机，载带为塑料薄膜，运用广泛，用于造纸、塑料及电子陶瓷等 的制造。如日本本社涂工机械部的r & r ，一夕流延机。 4 微型流延机，载带多为塑料薄膜，主要用于实验和中小型生产，美国 y a s u i 公司生产的m h f i l a b o t m 就是典型的微型流延机。 国内也有许多生产流延机的厂家，如仕诚塑料机械有限公司能够生产3 0 0 0 m 以上的超宽模头，上海玉菱能够生产单、多层流延薄膜挤出设备和挤出复合机组， 佛山嘉俊制造了幅宽3 0 0 0 m 的三层共挤流延机m w 。这些公司在吸收国外先进流延 设备技术的基础上，自主创新开发，并不断提高流延设备的精密度，在一定程度 上缓解进口设备昂贵阻碍流延技术发展的困境。但是，这些厂家生产的流延设备 主要是用于塑料、造纸等包装行业，能够生产电子陶瓷薄膜流延机的厂家几乎没 有。” 7 沈阳理工大学硕士学位论文 表1 2 实际流延设备及其特点 流延方法： ： 流延设备。特点 1 利用毛细血管 原理制作的高精 密超薄流延机： 平板流延机：型号：c a pc o a t e rm “1 2 小型，浆料供 制造厂商：日本本社化工机械部 给量少。性能商。 b l a d ec o a t i n g 1 适合流延肚q 、 钢带 。7 鼬，礁等浆料，用 于生产舡e 等产 ， 流延机w 品。 r， 、 1 高速，均匀的 薄膜流延机： 薄膜流延 。 型号：1 2 j t r ，一夕 2 生产涂层厚度 制造厂商：日本本社 在0 2 p _ ： 涂工机械部 & 用于生产高精 密磁性材料和液 晶产品。一。 l i pc o a t i n g l 辘延膜厚 微型流延机： 1 6 1 7 5 i t n ，宽 。型号：h i m ia b 口啦” 8 0 1 2 0 啊，流延 速度o j 2 制造厂商：美国y a s u is e i k ic o 抽m i n s 2 用于高精密 的薄膜流延 1 膜厚o 0 2 2 0 0 i t t ，宽 ： 1 2 0 m 虬精度 s l o tc o a t i n g 勰； ， 3 幅宽2 2 0 0 m ， 平板流延机，t a b l e c o a t e r i i “”制造厂商，c b u g a i 髓 线速度5 1 8 0 m s ， m i c r o - 6 r a v u r e 1 薄膜流延，生 产涂层厚度在 c o a t i n g t 2 0 1 1 1 1 1 。 薄膜流延机：型号：m i r c r og r a v u r e t m + ： 一 制造厂商：y a s u is e i k ic o 第1 章绪论 1 3 课题的提出。 在电子陶瓷薄膜与基片的流延过程中，影响薄膜超薄化与厚度精密化的核心 因素有两个：一是陶瓷流延浆料的化学、物理特性决定的流延工艺，二是以机械 学和流体力学为基础的流延方法。从上一节对流延现状的分析可知，目前的研究 主要是从流延的工艺性入手，研究了流延工艺过程，介绍了水基流延和紫外流延 等新的流延工艺，研究了浆料的成分、p h 值、粘度，粒度等对流延质量的及流延 厚度的影响m ，从流延机理上对流延方法、原理上的研究很少，对流延系统动特性 的研究则更是寥寥无几。而且目前的流延方法是采用不同的结构来控制流延问隙， 进而控制湿膜厚度，经干燥、剥离等最终达到符合要求的陶瓷流延薄膜或基片。 但是如表1 1 所列的几种目前的流延方法存在着一个共同的问题，那就是超薄流 延膜的厚度是靠高精密的流延机构来保证的，对流延口的直线度、流延辊的圆柱 度、径向圆跳度、对称辊圆心的水平度等要求极高。给流延头及流延辊子的加工 制造乃至装配带来了巨大的困难，而且不可避免地增加了制造成本。而且我国目 前用予生产高精密电子陶瓷薄膜的流延机主要依靠国外引进，直接影响到我国电 子元器件产品制造水平的提高。 。 基于以上存在的问题，迫切需要研究设计一种适合我国中小企业和实验用的 超精密流延机，同时也迫切需要寻求一种新的流延理论和方法，解决无需靠无限 提高流延机构的加工制造、装配精度获得超薄、均匀、高精密的陶瓷薄膜或基片。 本课题来源于市科委的基于硬磁盘系统的动压悬浮原理的电子陶瓷薄膜流延技 术基金项目( 1 0 3 3 0 6 4 - 1 - 0 3 ) ，该项目是根据目前流延技术的现状，提出的基于硬 磁盘系统的磁头相对磁盘的动压悬浮原理的电子陶瓷薄膜与基片的创新流延技 术，为大批量生产高精密超薄陶瓷薄膜提供了一种新的方法。 图1 4 是磁头相对磁盘的动压悬浮原理图，硬磁盘存储系统在运动中磁头与磁 盘建立起稀薄气体状态下的动压支承，同时也建立了一个具有内反馈的两自由度 的动力学系统，使得尽管磁头的几何与运动误差、磁盘表面的粗糙度在微米级， 但磁盘与磁头的问隙却在亚微米或纳米级并能保持间隙大小的恒定性。 9 沈阳理工大学硕士学位论文 国内外对磁头相对磁盘的动压悬浮理论的进行了大量的研究，u u i z0j 和b o g y db 利用网格划分法和数值仿真技术对气体润滑的硬磁盘系统中的静、动态特性进 行了研究。h s i a os 、h s i n g - s e n 、b h u s h a n 、b h a r a t 等研究了磁头磁盘闻隙内的 ， 压强分布及不同最小磁头间隙和其他参数对压强的影响m i t r y n i e w i c z 和s z e r i ： 讨论了速度、努森数等参数对闯隙内压强的影响，并将实验数据与理论值，气体 润滑与液体润滑进行了比较m 。s t r e a t o r 提出了描述高剪切率作用的液体流变响 应的方法m 1 。w o l f fr 和k u b oa 研究了非牛顿流体下承载力、速度等对磁头运动 ： 。 的影响m 。 国内各大学和研究所也对磁头磁盘系统的相关问题进行了研究，清华大学研 ： 究了通过光学系统的选择、光路结构的设计等对磁头飞行姿态进行测量，并研究 了基于分子运动论的纳尺度气体薄膜润滑理论。东南大学研究了磁头的动力学响 应分析、表面粗糙度对磁头磁盘系统静特性的影响和磁头形状的动态优化设计等 ，t： 【 川t ， 1 ： 无论是动压悬浮流延还磁头磁盘的动压悬浮效应都是建立在流体润滑的基础 上的，流体润滑的基本内容是求解r e y n o l d s 方程以揭示流体润滑膜中压力的分布 规律，以及后续的动力学的迸一步分析。在过去的几十年内r e y n o l d s 方程的求解 主要是采用有限元方法。g a r c i a - s u a r e z 、n g u y e n 、c r o n e 、r o b e r t 和y o n e o k a 等 都曾用有限元法对r e y n o l d s 方程求解并对磁头飞行高度特性等进行了研究m w 。虽 然有限元法可以描述压强分布，但是计算繁琐，m a t l a b 软件自诞生以来凭借其强 大的计算与可视化功能得到广泛的运用，因此现在采用该软件对r e y n o l d s 方程的 求解方法得到了广大的应用。 i o 第l 章绪论 以上可以看出磁头相对磁盘的动压悬浮理论无论从物理建模、数学方程式的 建立与求解，磁头飞行姿态的优化还是动力学响应的国内外学者都做了大量的研 究，并取得了很多的研究成果和突破性的进展，目前关于磁头磁盘的理论已经相 当成熟。而且国内外学者也做了许多关于流体润滑方面的研究，其理论也是相当 成熟的，由于关于本科题涉及到的动压悬浮理论和流体润滑知识都是前人已经做 过大量研究的是相当成熟理论，因此将动压悬浮原理运用到流延中是一种可行创 新的方法。 本课题的一个创新点就是将动压悬浮理论与流延法相结合，因此陶瓷动压悬 浮流延与磁头相对磁盘的动压悬浮理论的一个重要区别就是：后者主要是稀薄气 体的动压悬浮，液体的动压悬浮理论相对比较少，而本课题是液体的动压悬浮理 论，要大量用到流体润滑、流体动力学的相关知识。而且由于流延速度和浆料特 性与磁盘转动，磁头摆动和存储介质的差异较大，为了确保动压悬浮流延理论的 正确性。必须对动压悬浮流延设计到的参数与条件进行详细的考虑与确定，给出 符合实际的边界条件等，建立完备的动压悬浮流延理论体系。， 。 本课题的研究是将流延唇口设计为支撑在类似于支撑磁头的二自由度模型 上，流延头、流延辊子构成楔形间隙，利用流延头与流延辊子的相对运动将陶瓷 浆料带入收敛间隙内，形成流体动压润滑，其动压悬浮流延的物理模型如图j 5 。 由于陶瓷浆科有着弹簧和阻尼的性质，加上流延机构各部件本身所具有的刚性， 流延唇口与流延辊之问形成动压间隙，在特定的物理参数( 如流延速度、浆科粘 度、输入压强等) 和系统几何参数( 如流延辊子半径大小，流延唇口长度、最小流 延间隙等) 条件下，形成一个稳定的系统，使得在流延辊存在几何与回转运动误差， 流延唇口存在直线误差，或存在外界扰动的情况下，流延头能够随着外界的起伏 而欺负，保持流延间隙不变，从而获得比流延机精度高出许多的超薄、超精密陶 瓷流延膜或基片。 沈阳理工大学硕士学位论文 带 图1 5 电子陶瓷薄膜的动压悬浮模型 1 二 ， 。 。 1 4 电子陶瓷动压悬浮薄膜流延研究的意义 t _ 将磁头相对磁盘的动压悬浮原理运用于电子陶瓷薄膜流延，是流延理论与方 ，： 法的。种创新，能够解决当前电子元器件的发展对电子陶瓷薄膜和基片超薄化、 高精密的要求。在动压悬浮理论支持下的由流延辊子与流延头组成的稳定系统可 以使流延头能够随着外界的起伏而起伏，始终保持流延问隙大小不变i 进而控制 流延膜厚的恒定。避免了靠利用现代加工方法提高流延膳口的直线度、流延辊子 的圆柱度、全跳动等来制造超薄高精密的薄膜目的。 ： ”j 、由于我国生产电子元器件的高精端流延机主要靠国外引迸，且国内适用于小 批量生产和实验室用的小型流延机几乎没有，因此本课题设计的与动压悬浮理论 “ 结合的小型电子陶瓷薄膜流延机弥补了国内这二领域的空缺。对我国电子元器件 行业的发展具有非常重要的意义。 1 5 课题研究的主要内容 将硬磁盘存储系统中磁头相对磁盘的动压悬浮原理运用于电子陶瓷薄膜或基 片的动压悬浮流延成型理论，实现典型电子陶瓷膜流延厚度5 1 5 hm 基片厚度精 度在矾。当有外界扰动时，能够达到流延唇口随外界扰动的起伏而起伏，实现 随动效应。因此，本课题研究的主要内容如下： 1 研发设计一台采用动压悬浮流延法的小型流延机，研究了流延机的总体构 第l 章绪论 成、对主要部件：流延头装置、走带传输系统、驱动与挤压装置、干燥装置、浆 料供给系统和张力控制系统进行了设计和讨论研究； 2 根据流体动压悬浮的原理对流延头、流言辊子、陶瓷浆料形成的流体动压 悬浮建立物理模型，在此基础上采用n e w t o n 粘性定律，建立等温条件下的非时变 的r e y n o l d s 方程式和流延问隙的表达式。求解方程，得出稳态压强的函数表达式， 借助m a t l a b 获得压强分布曲线，根据压强分布曲线讨论流延系统的动压效应； 3 根据物理模型建立动态数学方程式和动态r e y n o l d s 方程式，并给出合理的 边界条件，采用摄动理论和无量纲处理，将n e w t o n 粘性定律下的等温r e y n o l d s 方程式进行简化，从简化后的r e y n o l d s 解出动态压强分量，根据刚度系数和阻尼 系数的求解表达式，解出流延过程中浆料的刚度系数和阻尼系数，为后续动力学 方程的建立及动力学特性的研究做准备； 4 根据动力学方程式，求解系统在初始扰动下的瞬态响应，g a t l a b 仿真讨论 不同参数下系统的响应曲线，根据响应曲线分析各参数对系统稳定性的影响规律， 得到提高系统稳定性所需的合理参数； 5 研究流延辊子误差作用下系统的激励响应，根据激励响应讨论了系统的随 动效应，m a t l a b 仿真讨论了不同参数对系统随动效应的影响规律； 6 从流体膜中取出流体微元，对流体微元进行受力分析，计算出流速沿膜厚 方向的分布表达式，根据质量守恒定律就算出间隙出口处的湿膜厚度表达式。仿 真不同参数对稳态湿膜厚度和流延辊子误差作用下的非稳态湿膜厚度的影响规 律。根据误差作用下非稳态湿膜厚度相对于稳态湿膜厚度的变动，讨论动压悬浮 流延系统的随动效应对膜厚均匀稳定性的作用： 7 采用正交实验法并结合不同参数下系统随动效