超快脉冲激光焊接无炉陶瓷

一个透明的陶瓷帽，焊接到陶瓷管上。

环境。由UC Riverside和UC San Diego领导的一组工程师开发的新型陶瓷焊接技术可以使所有这些成为可能。

该工艺发表在8月23日的《科学》杂志上，它使用超快脉冲激光沿界面熔化陶瓷材料并将它们融合在一起。它可以在环境条件下工作，并且使用的激光功率不到50瓦，比目前需要在炉子中加热零件的陶瓷焊接方法更加实用。

圣地亚哥加州大学圣地亚哥分校的机械工程和材料科学与工程学教授Javier E. Garay解释说，陶瓷的焊接从根本上具有挑战性，因为它们需要极高的温度才能熔化，使它们暴露于导致破裂的极端温度梯度下，领导了UC Riverside教授和机械工程学教授Guillermo Aguilar的工作。

吉列尔莫·阿吉拉尔（Guillermo Aguilar）

陶瓷材料具有很高的吸引力，因为它们具有生物相容性，极高的硬度和抗碎性，使其非常适合用于生物医学植入物和电子产品的保护套。但是，当前的陶瓷焊接程序不利于制造这种装置。

加雷说：“目前，还没有办法将电子元件封装或密封在陶瓷内，因为您必须将整个组件放入炉子中，这最终会烧毁电子器件。”

该小组的解决方案是沿两个陶瓷零件之间的界面对准一系列短的激光脉冲，以便热量仅在界面处积聚并引起局部熔化。他们称其方法为“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，激光能量会牢固地耦合到陶瓷上，从而可以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2皮秒，重复频率高达1兆赫，脉冲总数适中。这样可以最大程度地提高熔体直径，减少材料烧蚀并及时进行冷却，以实现最佳的焊接效果。” Aguilar说。

“通过将能量集中在我们想要的位置上，我们避免了在整个陶瓷上建立温度梯度，并且可以封装温度敏感材料而不会损坏它们，” Garay说。

作为概念的证明，研究人员将透明的圆柱帽焊接到了陶瓷管的内部。测试表明，焊接强度足以保持真空。

“我们在焊缝上使用的真空测试与工业上用于验证电子和光电设备上的密封的测试相同，”第一作者埃利亚斯·佩尼利亚（Elias Penilla）说，他是加州大学圣地亚哥分校（Ga San）盖瑞（Garay）研究小组的博士后研究员迭戈

迄今为止，该工艺仅用于焊接尺寸小于两厘米的陶瓷小零件。未来的计划将涉及针对较大规模以及不同类型的材料和几何形状优化该方法。

论文“陶瓷的超快激光焊接”在《科学》杂志上发表。合著者包括圣地亚哥大学加利福尼亚分校的A. T. Wieg，P。Sellappan和Y. Kodera；加州大学河滨分校的L. F. Devia-Cruz，P。Martinez和N. Cuando-Espitia。DOI：10.1126 / science.aaw6699

这项工作由国防高级研究计划局（DARPA合同HR0011-16-2-0018），美国国家科学基金会（NSF-PIRE授予合同＃1545852）和UC Riverside的研究与经济发展办公室资助。