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激光使工程师能够焊接陶瓷,无需熔炉

激光焊接陶瓷组件,由连接陶瓷管的透明圆柱形帽组成。照片由garay实验室提供

不会划伤或破碎的智能手机。无金属心脏起搏器。适用于空间和其他恶劣环境的电子设备。由于加利福尼亚大学圣地亚哥分校领导的工程师团队开发的新型陶瓷焊接技术,这些都可以实现。

这个过程发表于8月。 23期 科学,使用超快脉冲激光沿接口熔化陶瓷材料并将它们熔合在一起。它在环境条件下工作,使用的激光功率小于50瓦,比目前需要在炉内加热零件的陶瓷焊接方法更实用。

高级作者javier e解释说,陶瓷在焊接在一起具有根本性的挑战,因为它们需要极高的温度才能熔化,使它们暴露在极端的温度梯度下,导致开裂。 garay是uc san diego的机械工程和材料科学与工程教授,他与uc riverside教授和机械工程主席guillermo aguilar合作领导了这项工作。

陶瓷材料具有很大的吸引力,因为它们具有生物相容性,极硬性和抗破碎性,是生物医学植入物和电子保护壳的理想选择。然而,目前的陶瓷焊接程序不利于制造这种装置。

“现在没有办法在陶瓷内部封装或密封电子元件,因为你必须把整个组件放在炉子里,这最终会烧毁电子元件,”garay说。

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激光装置用于测试和测量陶瓷材料的透明度。 相片 作者:david baillot / uc san diego jacobs工程学院

garay,aguilar及其同事的解决方案是沿着两个陶瓷部件之间的界面瞄准一系列短激光脉冲,使热量仅在界面处积聚并导致局部熔化。他们称他们的方法是超快脉冲激光焊接。

为了使其工作,研究人员必须优化两个方面:激光参数(曝光时间,激光脉冲数和脉冲持续时间)和陶瓷材料的透明度。通过正确的组合,激光能量与陶瓷强烈耦合,允许在室温下使用低激光功率(小于50瓦)进行焊接。

“超高速脉冲的最佳点是在1兆赫兹的高重复率下两皮秒,以及中等总数的脉冲。这使得熔体直径最大化,材料烧蚀最小化,并且定时冷却恰好适合最佳焊接,“阿吉拉尔说。

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通过透明陶瓷(左)与传统不透明陶瓷(右)的光学传输。

“通过将能量集中在我们想要的地方,我们避免在整个陶瓷中设置温度梯度,因此我们可以封装对温度敏感的材料而不会损坏它们,”Garay说。

作为概念验证,研究人员将透明的圆柱形帽焊接到陶瓷管的内部。测试表明,焊缝强度足以保持真空。

“我们在焊缝上使用的真空测试与工业中用于验证电子和光电器件密封的测试相同,”第一作者elias penilla表示,他曾在该项目中担任博士研究小组的博士后研究员。迭戈。

到目前为止,该工艺仅用于焊接尺寸小于2厘米的小陶瓷部件。未来的计划将涉及优化更大规模的方法,以及不同类型的材料和几何形状。

论文题目:“陶瓷的超快激光焊接。”共同作者包括一篇。吨。维格,p。塞拉潘和y。 kodera,uc san diego;和我。 F。 devia-cruz,p。马丁内斯和cuando-espitia,uc riverside。

这项工作由国防先进研究项目机构(darpa合同hr0011-16-2-0018),国家科学基金会(nsf-pire grant 1545852)和uc河滨办事处的研究和经济发展资助。


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