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Science:超快脈沖激光焊接陶瓷材料!

來源:科技報告與資訊、焊接之家    關鍵詞:超快脈沖激光焊接, 陶瓷材料,    發布時間:2019-09-02

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加州大學圣地亞哥分校和加州大學河濱分校的研究團隊開發了一種新型陶瓷焊接技術,發表在8月23日出的“ Science”雜志上,其采用超快脈沖激光沿接口熔化陶瓷材料并將它們融合在一起。該技術可在環境條件下工作,使用的激光功率小于50瓦,比目前常用的在爐內加熱零件的陶瓷焊接方法更實用。

 

陶瓷焊接是一項難度很高的技術,因為需要極高的溫度才能將陶瓷熔化,并且當陶瓷處于較大溫度梯度條件下還容易導致其開裂。所以盡管陶瓷材料具有非常好的生物相容性、硬度和抗碎裂性,是生物醫學植入物和電子保護殼的理想選擇,但焊接的難度使其制造過程非常困難。

 

“現在,沒有辦法將電子元件封裝或密封在陶瓷內部,因為你必須把整個組件放在爐子里,而這將導致電子元件的毀,”研究人員Garay說。

Garay及其同事的解決方案是沿著兩個陶瓷部件之間的界面瞄準一系列短激光脈沖,使熱量僅在界面處積聚并導致局部熔化。他們稱這種方法為超快脈沖激光焊接。

 

為了實現這一過程,研究人員必須優化兩個參數:激光參數(曝光時間,激光脈沖數和脈沖持續時間)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,允許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1兆赫的高重復頻率下2皮秒,脈沖總數適中。這是綜合了融化直徑最大化、材料溶解最小化以及定時冷卻最優的多參數平衡的最優焊接條件?!毖芯咳藛T阿吉拉爾說。

“通過將能量集中在我們想要的地方,從而避免了在整個陶瓷中溫度梯度的產生,因此我們可以在不損壞它們的情況下實現對溫度敏感材料的封裝,”Garay說。

作為概念驗證,研究人員將透明圓柱形蓋焊接到陶瓷管內部。測試表明,焊縫強度足以使其保持真空狀態。

“我們在焊縫上使用的真空測試與工業中用于驗證電子和光電器件密封件的測試相同,”第一作者Elias Penilla說道。

 

到目前為止,該工藝僅用于焊接尺寸小于2厘米的小陶瓷部件。未來的計劃將涉及優化更大規模的方法,以及不同類型的材料和幾何形狀。


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