Lasere gør det muligt for ingeniører at svejse keramik, ingen ovn påkrævet

Smartphones, der ikke ridser eller splintres. Metalfri pacemakere. Elektronik til rummet og andre barske miljøer. Disse kunne alle gøres mulige takket være en ny keramisk svejseteknologi udviklet af et team af ingeniører ved University of California San Diego og University of California Riverside.

Processen, offentliggjort i nummeret 23. august af Videnskab , bruger en ultrahurtig pulserende laser til at smelte keramiske materialer langs grænsefladen og smelte dem sammen. Den fungerer under omgivende forhold og bruger mindre end 50 watt lasereffekt, gør det mere praktisk end de nuværende keramiske svejsemetoder, der kræver opvarmning af delene i en ovn.

Keramik har været fundamentalt udfordrende at svejse sammen, fordi de har brug for ekstremt høje temperaturer for at smelte, udsætte dem for ekstreme temperaturgradienter, der forårsager revner, forklarede seniorforfatter Javier E. Garay, en professor i maskinteknik og materialevidenskab og teknik ved UC San Diego, der ledede arbejdet i samarbejde med UC Riverside professor og formand for maskinteknik Guillermo Aguilar.

Keramiske materialer er af stor interesse, fordi de er biokompatible, ekstremt hårdt og brudsikkert, hvilket gør dem ideelle til biomedicinske implantater og beskyttelseshylstre til elektronik. Imidlertid, nuværende keramiske svejseprocedurer er ikke befordrende for fremstilling af sådanne enheder.

"Lige nu er der ingen måde at indkapsle eller forsegle elektroniske komponenter inde i keramik, fordi du ville være nødt til at sætte hele samlingen i en ovn, som ville ende med at brænde elektronikken, " sagde Garay.

Garay, Aguilar og kollegers løsning var at rette en række korte laserimpulser langs grænsefladen mellem to keramiske dele, så varme kun opbygges ved grænsefladen og forårsager lokal smeltning. De kalder deres metode ultrahurtig pulseret lasersvejsning.

For at få det til at fungere, forskerne skulle optimere to aspekter:laserparametrene (eksponeringstid, antal laserimpulser, og varighed af pulser) og gennemsigtigheden af ​​det keramiske materiale. Med den rigtige kombination, laserenergien kobles stærkt til keramikken, gør det muligt at lave svejsninger med lav lasereffekt (mindre end 50 watt) ved stuetemperatur.

"Det søde punkt af ultrahurtige pulser var to picosekunder ved den høje gentagelseshastighed på en megahertz, sammen med et moderat samlet antal pulser. Dette maksimerede smeltediameteren, minimeret materialeablation, og tidsindstillet køling lige præcis for den bedst mulige svejsning, " sagde Aguilar.

"Ved at fokusere energien lige der, hvor vi vil have den, vi undgår at opsætte temperaturgradienter i hele keramikken, så vi kan indkapsle temperaturfølsomme materialer uden at beskadige dem, " sagde Garay.

Som et bevis på konceptet, forskerne svejste en gennemsigtig cylindrisk hætte på indersiden af ​​et keramisk rør. Tests viste, at svejsningerne er stærke nok til at holde vakuum.

"Vakuumtestene, vi brugte på vores svejsninger, er de samme tests, som bruges i industrien til at validere tætninger på elektroniske og optoelektroniske enheder, " sagde førsteforfatter Elias Penilla, der arbejdede på projektet som postdoktor i Garays forskningsgruppe ved UC San Diego.

Processen er indtil videre kun blevet brugt til at svejse små keramiske dele, der er mindre end to centimeter store. Fremtidige planer vil involvere optimering af metoden til større skalaer, samt for forskellige typer materialer og geometrier.