Инженеры использовали сверхбыстрый маломощный импульсный лазер для расплавления керамических материалов вдоль стыка и их сварки в условиях окружающей среды.
Керамические материалы представляют большой интерес, поскольку они являются биосовместимыми, твердыми и прочными. Однако современные способы сварки керамики сложны и требуют высоких температур, которые могут вызвать растрескивание. Это также не позволяет размещать и запечатывать электронные компоненты внутри защитных керамических кожухов, поскольку весь узел в конечном итоге придется поместить в печь, что уничтожит всю начинку.
Группа инженеров и материаловедов из калифорнийских университетов в Сан-Диего и Риверсайда решила направить серию коротких лазерных импульсов на поверхность вдоль границы раздела между двумя керамическими элементами, чтобы тепло накапливалось только стыке и вызывало локальное плавление. Новый метод был назван сверхбыстрой импульсной лазерной сваркой.
Важным фактором успеха стала оптимизация параметров лазера (время экспозиции, количество и длительность импульсов) и прозрачность керамического материала. При правильной настойке, излучение хорошо взаимодействует с керамикой, позволяя выполнять качественные сварные швы с помощью маломощного лазера (менее 50 Вт) при комнатной температуре.
Лазерная установка для проверки и измерения прозрачности керамических материалов.
Исследования показали, что для сверхбыстрых импульсов оптимальными являются показатели продолжительность в 2 пс при частоте 1 МГц вместе с умеренным их общим количеством. Такая настройка позволяет максимально увеличивало диаметр расплава, свести к минимуму абляцию материала и синхронизировать охлаждение как раз для достижения наилучшей сварки.
По словам команды, концентрация энергии на нужном участке предотвращает возникновение температурных градиентов по всей керамике, что позволяет заключать внутри термочувствительные материалы, не повреждая их.
Для подтверждения концепции, исследователи приварили прозрачную цилиндрическую крышку к внутренней части керамической трубки. Испытания показали, что сварные швы достаточно прочны, чтобы удерживать вакуум. В дальнейшем инженеры займутся оптимизацией технологии для ее применения в более крупных масштабах, а также для материалов различно типа и формы.
Ранее подобную систему шотландские технологи предложили для прочной сварки стекла с металлом.
текст: Илья Бауэр, фото: University of California - San Diego
