美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員已經(jīng)使用超快激光成功地將陶瓷焊接在一起,焊接陶瓷通常需要熔池達到極端溫度。這項新技術(shù)在2019年8月份的《科學(xué)》雜志上發(fā)表,在相應(yīng)的環(huán)境條件下工作,使用的激光功率小于50瓦。它能使陶瓷材料熔化并熔合,同時不會導(dǎo)致開裂,因為涉及到極端的溫度變化,所以開裂是陶瓷與熔爐焊接時經(jīng)常遇到的問題。
陶瓷材料因其具有生物相容性、極高的硬度和抗破碎性,成為生物醫(yī)學(xué)植入物和電子產(chǎn)品保護外殼的理想材料而受到多個行業(yè)的極大關(guān)注。然而,目前的陶瓷焊接工藝不利于上述器件的制造。
加州大學(xué)圣地亞哥分校的JavierGaray教授與加州大學(xué)河濱分校的GuillermoAguilar教授合作領(lǐng)導(dǎo)了這項工作,JavierGaray教授解釋道,“目前還沒有辦法將電子元件封裝或密封在陶瓷內(nèi)部,因為傳統(tǒng)工藝必須將整個組裝件放入熔池中,最終導(dǎo)致電子元件燒毀?!?/p>
本項目研究人員使用的技術(shù)是通過超快激光產(chǎn)生一系列超短激光脈沖,使用這些脈沖瞄準(zhǔn)兩個陶瓷部件之間的界面,使熱量僅在界面處積聚并只讓局部熔化。這種方法被稱為“超快脈沖激光焊接”。
為了讓陶瓷焊接成功,研究人員必須優(yōu)化以下兩個方面:激光參數(shù)(曝光時間、激光脈沖數(shù)量和脈沖持續(xù)時間)和陶瓷材料的透明度。通過正確的組合,激光能量與陶瓷強烈耦合,從而實現(xiàn)在室溫下使用低激光功率(小于50瓦)進行焊接。
“超快脈沖的最佳點是在1兆赫的高重復(fù)頻率下的2皮秒,同時脈沖總數(shù)適中,”Aguilar表示,“這使熔化直徑最大化,材料燒蝕最小化,定時冷卻正好達到最佳焊接效果?!盙aray補充說到:“通過將能量集中在我們想要的地方,可以避免整個陶瓷中劇烈溫度變化的過程,這樣就可以在不損壞對溫度敏感材料的情況下將其包裹起來?!?/p>
作為證明,研究人員在陶瓷管的內(nèi)部焊接了一個透明的圓柱形蓋,通過測試確認焊接的強度足以保持真空。到目前為止,這項新技術(shù)僅用于焊接尺寸小于2厘米的小型陶瓷零件,但未來他們計劃研究涉及優(yōu)化更大尺寸、不同類型材料和幾何形狀的方法。
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