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陶瓷焊接新方法:超快激光脉冲

从理论上讲,陶瓷是包装电子产品的绝佳材料。陶瓷质地坚硬,还能隔热阻电,在向体内进行植入时,它还具备生物相容性。而一直面临的问题,是将陶瓷进行熔合时往往需要很高的热量,这样一来就破坏电子元件。日前,研究人员开发出一种能在室温下通过超快激光脉冲实现陶瓷焊接的新方法。

为了将它们锁定为所需的形状并使保持坚固,首先需要在炉中对陶瓷体进行烧制。在大多数情况下,这样做是可行的,但是如果是用作电子屏蔽的话,效果就不会那么好。

该研究的第一作者Javier Garay指出:“当前没有办法将电子元件封装或密封在陶瓷内部,因为这么做的话,则必须要将整个组件放在火炉中,这样无疑会烧坏整个电子元件。”

因此,来自加州大学圣地亚哥分校和加州大学河滨分校的科学家团队提出了一个解决方案。热量仍然是熔接陶瓷的必要条件,但研究人员并没有将高热量用于整个焊接件体,而是使用称之为超快脉冲激光焊接的工艺,直接应用在缝合处。

Garay表示:“通过将能量集中在特定的地方,可以避免在整个陶瓷中设置温度梯度,因此我们可以在不损坏它们的情况下对温度敏感的材料进行包装。”

之前也用过类似的超快激光脉冲来焊接通常不能很好地啮合在一起的材料,例如将透明塑料或金属焊接到玻璃等。而对于这个项目,UC研究人员对激光和陶瓷材料进行了调整,以找到最有效的参数集。陶瓷材料必须具备一定的透明度,团队也必须找出正确的曝光时间以及激光脉冲的数量和持续时间,以获得最佳焊接结果。

该研究的共同主要作者Guillermo Aguilar表示:“超高速脉冲的最有效点是在1兆赫兹的高重复频率下的两皮秒,以及中等总脉冲数。这样才能使得熔体直径最大化、材料烧蚀最小化以及恰好适合最佳焊接的定时冷却。”

在相关实验中,研究人员成功地将透明圆柱形帽焊接到了陶瓷管内部。然后使用行业标准测试对其进行真空测试,发现确实能够保持真空。

到目前为止,该技术仅用于2厘米(0.8英寸)以下的小型陶瓷部件,但该团队计划尝试扩大规模,同时还计划焊接不同的材料和形状。

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