Технология сварки керамики с помощью лазерных импульсов

Инженеры разработали технологию сварки керамики, которая сможет открыть целый ряд новых возможностей применения этого материала.

Был успешно протестирован сверхбыстрый импульсный лазер, который способен плавить керамические материалы вдоль соединительных стыков свариваемых поверхностей.

Технология, которая требует менее 50 Вт мощности лазера, может применяться в условиях окружающей среды. Она более практична, чем остальные современные методы, требующие предварительного нагрева деталей в печи.

Керамические материалы являются биосовместимыми, чрезвычайно твердыми и устойчивыми к разрушению, что делает их идеальными для использования в качестве биомедицинских имплантатов и защитных кожухов электронных устройств. Однако, существует некоторая проблема.

«До сих пор не существовало никакого способа внедрить электронные компоненты внутрь керамики, так как для этого потребовалось бы поместить всю сборку в печь, что привело бы к выгоранию всей электроники».

Керамику вообще сложно сваривать, потому что для ее плавления необходимы очень высокие температуры, что приводит к возникновению экстремальных температурных градиентов, которые могут вызвать растрескивание материала.

Решение заключается в том, чтобы направить серию коротких лазерных импульсов вдоль стыков между двумя свариваемыми керамическими поверхностями, чтобы тепловая энергия была сконцентрирована только на границе разделов и вызывала локальный нагрев, приводящий, в итоге, к плавлению.

Чтобы это работало, необходимо учитывать прозрачность материала, а также ряд параметров лазера - время воздействия, количество и длительность лазерных импульсов. Пятно нагрева максимизирует диаметр расплава, минимизирует абляцию материала и выравнивает охлаждение, чтобы получить наилучшее качество сварного шва.

«Сосредоточив энергию именно там, где нужно, удается избежать возникновения резких температурных градиентов по всей площади керамики, поэтому можно поместить в керамический материал чувствительные к температуре компоненты, не повредив их».

В качестве подтверждения концепции, исследователи приварили прозрачную цилиндрическую крышку к внутренней части керамической трубки. Испытания показали, что сварные швы достаточно прочны, чтобы удерживать вакуум.

«Вакуумные испытания, которые были использованы для проверки сварных швов, - это те же испытания, которые используются в промышленности для тестирования уплотнений в электронных и оптоэлектронных устройствах».

Результаты испытаний опубликованы в журнале Science.

Источник: Сosmos