陶瓷焊接新技术用激光取代熔炉

据美国加州大学圣迭戈分校官网近来报导，该校与加州大学河岸分校的工程师团队开宣布一项新的陶瓷焊接技能，它将让不会刮伤或破碎的智能手机、不含金属的心脏起搏器、太空及其他恶劣环境中运用的电子器材都变成实际。

布景

陶瓷资料十分吸引人，由于它们具有生物相容性，极度生硬且抗破碎，所以十分合适用于生物医学植入物和电子资料的保护套。但是，现在的陶瓷焊接程序不利于制作这些设备。

立异

近来，美国加州大学圣迭戈分校与加州大学河岸分校的工程师团队开宣布一项新的陶瓷焊接技能，它将让不会刮伤或破碎的智能手机、不含金属的心脏起搏器、太空及其他恶劣环境中运用的电子器材都变成实际。

这项研讨由加州大学圣迭戈分校资料科学与工程系和机械工程系教授、论文高档作者 Javier E. Garay 与加州大学河岸分校教授和机械工程系主席 Guillermo Aguilar 一同协作领导。

这项工艺宣布在8月23日出书的《科学（Science）》期刊上。它选用一种超高速脉冲激光沿着界面熔化陶瓷资料并将它们焊接到一同。这项工艺能够在一般环境条件下完结，并选用低于50瓦的激光功率，比需求在熔炉中加热部件的现有陶瓷焊接技能愈加有用。

技能

Garay 解释道，从根本上来说将陶瓷焊接到一同的难度一直都很大，由于它们需求极高的温度才干熔化，并要接受极点的温度梯度，然后引起决裂。

Garay 标明：“现在，没有办法能够在陶瓷内部包装或许密封电子元器材，你有必要将组装好的全体放到熔炉中，熔炉最终会焚毁电子器材。”

Garay、Aguilar 及其搭档们的解决方案，是用一系列短激光脉冲沿着两个陶瓷部分之间的界面进行瞄准，使得热量只在界面上逐渐增加，并引发部分的熔化。他们称他们的办法为“超高速激光脉冲焊接”。

下图为用于测验和丈量陶瓷资料通明度的激光设备。

（图片来历：David Baillot/加州大学圣迭戈分校雅各布工程学院）

为了让该方案起作用，研讨人员们有必要进行两方面优化：激光参数（曝光时刻、激光脉冲的数量和脉冲的持续时刻）以及陶瓷资料的通明度。经过正确的组合，激光能量与陶瓷激烈地结合到一同，然后让咱们能够在室温下使用低功率（低于50瓦）激光完结焊接。

通明陶瓷（左）与传统不通明陶瓷（右）的透光性比照。（图片来历：加州大学圣迭戈分校）

Aguilar 标明：“超高速脉冲的‘甜美点’是在1兆赫兹中以高重复率呈现的2皮秒，以及适度的脉冲总量。这使得熔化直径最大化、资料烧蚀最小化，而且可完结守时冷却，然后尽可能到达最佳的焊接作用。”

Garay 标明：“经过将咱们在这里想要的能量聚集到一同，咱们避免了设置遍布整个陶瓷的温度梯度，然后使咱们可在不损毁这些温度灵敏的资料的情况下包装它们。”

为了进行概念验证，研讨人员们将一个通明的圆柱形盖子焊接到陶瓷管内部。测验标明，这个焊接的强度足以坚持真空。

激光焊接由衔接陶瓷管的通明盖子组成的陶瓷组件。（图片来历：Garay 实验室）

该项目参与者、加州大学圣迭戈分校 Garay 课题组的博士后研讨员、论文榜首作者 Elias Penilla 标明：“咱们在焊接中选用的真空实验，和工业生产中验证电子和光电子器材密封所选用的实验相同。”

未来

这个工艺现在只用于焊接尺度小于两厘米的小型陶瓷部件。未来的方案将触及这个办法的优化，然后使之应用于更大尺度的部件，以及各种不同的资料和几许形状。

关键字

陶瓷、工艺、激光

参考资料

【1】E. H. Penilla, L. F. Devia-Cruz, A. T. Wieg, P. Martinez-Torres, N. Cuando-Espitia, P. Sellappan, Y. Kodera, G. Aguilar, J. E. Garay.Ultrafast Laser Welding of Ceramics. Science, 2019 DOI: 10.1126/science.aaw6699

【2】https://ucsdnews.ucsd.edu/pressrelease/lasers-enable-engineers-to-weld-ceramics-no-furnace-required