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加州大学开发新型陶瓷焊接技术 获《Science》刊登

来源:材料科学与工程微信公众号|

发表时间:2019-09-02

点击:10794

文章来源:科技报告与资讯、焊接之家


加州大学圣地亚哥分校和加州大学河滨分校的研究团队开发了一种新型陶瓷焊接技术,发表在8月23日出的“ Science”杂志上,其采用超快脉冲激光沿接口熔化陶瓷材料并将它们融合在一起。该技术可在环境条件下工作,使用的激光功率小于50瓦,比目前常用的在炉内加热零件的陶瓷焊接方法更实用。


陶瓷焊接是一项难度很高的技术,因为需要极高的温度才能将陶瓷熔化,并且当陶瓷处于较大温度梯度条件下还容易导致其开裂。所以尽管陶瓷材料具有非常好的生物相容性、硬度和抗碎裂性,是生物医学植入物和电子保护壳的理想选择,但焊接的难度使其制造过程非常困难。

“现在,没有办法将电子元件封装或密封在陶瓷内部,因为你必须把整个组件放在炉子里,而这将导致电子元件的毁,”研究人员Garay说。

Garay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。他们称这种方法为超快脉冲激光焊接。

为了实现这一过程,研究人员必须优化两个参数: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。

“超快脉冲的最佳点是1兆赫的高重复频率下2皮秒,脉冲总数适中。这是综合了融化直径最大化、材料溶解最小化以及定时冷却最优的多参数平衡的最优焊接条件。”研究人员阿吉拉尔说。

“通过将能量集中在我们想要的地方,从而避免了在整个陶瓷中温度梯度的产生,因此我们可以在不损坏它们的情况下实现对温度敏感材料的封装,”Garay说。

作为概念验证,研究人员将透明圆柱形盖焊接到陶瓷管内部。测试表明,焊缝强度足以使其保持真空状态。

“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件的测试相同,”第一作者Elias Penilla说道。

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。


本文封面图来源于图虫创意

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