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新型陶瓷焊接技术无需窑炉

杏耀-杏耀平台-杏耀登陆_杏耀注册网址 时间:2019年11月23日 05:37

  功能陶瓷材料在防划、防碎的智能手机、无金属心脏起搏器及适用于空间和其他恶劣环境的电子设备得到应用。然而其加工技术限制了材料加工成本的降低。近日,由加州大学圣地亚哥分校领导的工程师团队开发的新型陶瓷焊接技术,实现了这一目标。

  该工艺发表在8月23日出版的《科学》杂志上,采用超快脉冲激光沿接口熔化陶瓷材料并将它们熔合在一起。它在环境条件下工作,使用的激光功率小于50瓦,比目前需要在炉内加热零件的陶瓷焊接方法更实用。

  陶瓷在焊接在一起具有根本性的挑战,因为它们需要极高的温度才能熔化,使它们暴露在导致开裂的极端温度梯度下,加州大学圣地亚哥分校的机械工程和材料科学与工程教授Javier E. Garay与UC Riverside教授和机械工程主席Guillermo Aguilar合作领导了这项工作。

  陶瓷材料具有良好的生物相容性、硬度高和抗破碎等特性,是生物医学植入物和电子保护壳的理想选择,对科研和企业充满了吸引力。然而目前的陶瓷焊接工艺不利于制造这些装置。

  Garay说:“目前,很难将电子元件封装或密封在陶瓷内部,因为你必须把整个组件放入高温窑炉中,极端的高温环境会破坏这些精密的电子元件。”

  Garay、Aguailar及其同事们提出的解决方案是沿着两个陶瓷部件之间的界面,杏耀登录地址采用一系列的短脉冲激光不辐照,使局部积聚的热量融化该区域的陶瓷材料,进而实现两个部件紧密结合。他们将这一加工工艺称之为“超快脉冲激光焊接”。

  为了保证该工艺有效的工作,研究人员在“焊接”过程中通过优化两个方面实现——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。通过正确的设置参数,激光能量与陶瓷材料强烈的耦合,该工艺允许在室温条件下使用低功率(小于50瓦)的脉冲激光进行焊接。

  Aguilar说:“在1兆赫的高重复率下,超快脉冲的最佳位置是2皮秒,同时脉冲总数适中。这能够使熔体直径最大化、材料烧蚀最小化。同时还应该为最佳焊接选择合适的冷却时间”。

  Garay说:“通过将能量集中在目标区域,我们可以避免在整个陶瓷部件中设置温度梯度,因此可以保护对温度敏感的材料在极端温度下损坏。”

  作为该工艺的概念验证,研究人员将透明圆形盖焊接到陶瓷长管内部,相关测试表明焊缝的强度能够保持部件的真空状态。该测试过程所采用的真空测试与工业中用于验证电子和光电器件密封性的测试相同。

  目前该工艺仅用于焊接尺寸小于2厘米的小型陶瓷部件。该研究小组未来的研究计划将进一步的探索如何对“超快脉冲激光焊接”工艺进行优化,同时探索在不同类型的材料和几何形状构件的应用。

  这项工作由美国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拨款1545852)和加州大学研究与经济发展办公室资助。

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  文章标签:陶瓷工艺论文
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