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Mar 27, 2023

Moldagem por injeção de cerâmica usada para produzir chips microfluídicos

17 de outubro de 2022 Compartilhe em sua rede: os dispositivos microfluídicos ganharam

17 de outubro de 2022

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Os dispositivos microfluídicos ganharam grande interesse tanto na pesquisa acadêmica quanto na industrial devido às principais vantagens, como tempos de resposta rápidos e baixo consumo analítico. A fabricação de chips microfluídicos de primeira geração envolveu silício, mas, até o momento, vários materiais (por exemplo, quartzo/sílica fundida, vidro, cerâmica, polímeros e metais) foram usados ​​dependendo das diversas funcionalidades dos vários dispositivos microfluídicos.

Atualmente, algumas aplicações microfluídicas são integradas à espectroscopia de infravermelho (IR), que é usada para medir a frequência de vibração de ligação em uma molécula e determinar o grupo funcional. A maioria dos substratos poliméricos e vítreos usados ​​em chips microfluídicos, no entanto, não são transparentes na região do infravermelho médio, e os materiais normais compatíveis com IR são caros e desafiadores para a microfabricação. Cerâmicas policristalinas transparentes podem resolver os problemas de transparência e têm potencial para serem usadas em aplicações microfluídicas aliadas à análise FTIR, desde que as microcaracterísticas necessárias possam ser fabricadas nos substratos cerâmicos a baixo custo.

Um programa de pesquisa conjunta no Instituto de Tecnologia de Manufatura de Cingapura (SIMTech), Escola de Engenharia Mecânica e Aeroespacial, Universidade Tecnológica de Nanyang (NTU) e Instituto de Ciências Químicas e de Engenharia (ICES), todos com sede em Cingapura, mostrou que a cerâmica A moldagem por injeção pode ser usada com sucesso para produzir microchips cerâmicos transparentes infravermelhos de alto desempenho em forma líquida ou quase líquida com pequenas características micro complexas tão finas quanto 100 µm a um custo relativamente baixo. Os resultados da pesquisa descrevendo a viabilidade de produzir chips microfluídicos de cerâmica transparente IR com os perfis de recursos desejados, microestruturas e propriedades ópticas por PIM foram publicados como uma comunicação curta por Tao Li, et al., em Pesquisa e desenvolvimento em ciência de materiais, 7 de julho de 2021, 1707-1712.

Os autores da comunicação relataram que o pó de ítria (Y2O3) de alta pureza com um tamanho médio de partícula de 0,25 µm foi seco por pulverização para produzir partículas esféricas de 30–50 µm. 5 mol.% de pó de 3Y-zircônia foi adicionado a lotes de pó de ítria por moagem de bolas para reduzir a temperatura de sinterização e melhorar ainda mais a transparência. A esta mistura foi então adicionado um sistema aglutinante desenvolvido internamente à base de cera de parafina (PW), polipropileno (PP) e ácido esteárico (SA) para produzir a matéria-prima CIM.

Depois de otimizar os parâmetros de moldagem por injeção, discos circulares de 20 x 2 mm e chips microfluídicos quadrados de 25 x 25 x 2,5 mm com microcanais de 200 µm de largura e profundidade de 100 µm foram produzidos conforme mostrado na Fig. 1. A separação do solvente foi usado para remover a maioria dos ligantes PW e SA das peças verdes moldadas. O ligante restante foi removido em um processo de separação térmica de várias etapas, no qual as peças foram aquecidas em uma atmosfera inerte e perfil de aquecimento estritamente controlado. Após a separação térmica, as partes marrons foram transferidas para um forno de alto vácuo para sinterização à temperatura de 1770°C e diferentes tempos de espera.

Como mencionado anteriormente, a adição de zircônia desempenha um papel importante na fabricação de ítria transparente. Discos PIM com e sem zircônia sinterizada a 1750°C são mostrados na Fig. 2 e é claro que a amostra sinterizada sem adição de zircônia (Fig. 2a) ainda é opaca, enquanto uma certa transparência foi alcançada com adição de zircônia (Fig. .2b).

O polimento da amostra do disco de ítria contendo zircônia dá uma transparência ainda melhor em comparação com a parte sinterizada (Fig. 3). A transmitância de luz nos discos PIM polidos também é aumentada em cerca de 10 a 20% em comparação com as amostras não polidas. Os pesquisadores afirmaram que isso se deve ao menor espalhamento de luz na superfície polida em comparação com a superfície não polida. Para as peças após o polimento, a transmitância é de cerca de 50 a 70% na faixa de luz visível (400 a 800 nm). As transmitâncias aumentam de comprimento de onda curto para comprimento de onda longo e a amostra tem uma transmitância de 70 a 74% no comprimento de onda infravermelho. Comparado com o monocristal de ítria, que tem uma transmitância em torno de 80% na mesma faixa de comprimento de onda, 90% de transmitância pode ser alcançado na cerâmica policristalina produzida por moldagem por injeção de pó.