Все это стало возможным благодаря новой технологии сварки керамики, разработанной группой инженеров под руководством UC Riverside и UC San Diego.
Процесс, опубликованный в выпуске журнала Science от 23 августа, использует сверхбыстрый импульсный лазер для плавления керамических материалов вдоль границы раздела и их сплавления. Он работает в условиях окружающей среды и потребляет менее 50 Вт мощности лазера, что делает его более практичным, чем современные методы лазерной сварки керамики, требующие нагрева деталей в печи.
Сваривать вместе керамические изделия было принципиально сложно, потому что для их плавления требуются чрезвычайно высокие температуры, подвергающие их воздействию экстремальных температурных градиентов, вызывающих растрескивание, объяснил старший автор Хавьер Э. Гарай, профессор машиностроения, материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего, который руководил работой с профессором Калифорнийского университета в Риверсайде и заведующим кафедрой машиностроения Гильермо Агиларом.
Керамические материалы представляют большой интерес, поскольку они биосовместимы, чрезвычайно тверды и устойчивы к разрушению, что делает их идеальными для биомедицинских имплантатов и защитных корпусов для электроники. Однако современные методы сварки керамики не подходят для изготовления таких устройств.
«В настоящее время нет возможности заключить или запечатать электронные компоненты внутри керамики, потому что вам придется поместить всю сборку в печь, что в конечном итоге приведет к сгоранию электроники», - сказал Гарай.
Решение команды заключалось в том, чтобы направить серию коротких лазерных импульсов вдоль границы раздела между двумя керамическими частями, чтобы тепло накапливалось только на границе раздела и вызывало локальное плавление. Они называют свой метод «сверхбыстрой импульсной лазерной сваркой».
Чтобы заставить его работать, исследователям пришлось оптимизировать два аспекта: параметры лазера (время экспозиции, количество лазерных импульсов и длительность импульсов) и прозрачность керамического материала. При правильной комбинации энергия лазера сильно передается на керамику, что позволяет выполнять сварные швы с использованием малой мощности лазера (менее 50 Вт) и при комнатной температуре.
«Лучшее пятно сверхбыстрых импульсов составляло две пикосекунды при высокой частоте повторения в один мегагерц, наряду с умеренным общим числом импульсов. Это позволило максимально увеличить диаметр расплава, свести к минимуму абляцию материала и обеспечить охлаждение по времени как раз для наилучшего возможного сварного шва », - сказал Агилар.
«Сосредоточив энергию именно там, где мы хотим, мы избегаем создания температурных градиентов по всей керамике и можем заключать в оболочку термочувствительные материалы, не повреждая их», - сказал Гарай.
В качестве доказательства концепции исследователи приварили прозрачную цилиндрическую крышку к внутренней части керамической трубки. Испытания показали, что сварные швы достаточно прочные, чтобы выдерживать вакуум.
«Вакуумные испытания, которые мы использовали для наших сварных швов, - это те же тесты, которые используются в промышленности для проверки герметичности электронных и оптоэлектронных устройств», - сказал первый автор Элиас Пенилла, который работал над проектом в качестве постдокторанта в исследовательской группе Гарая в Калифорнийском университете в Сан-Франциско. Диего.
До сих пор этот процесс применялся только для сварки небольших керамических деталей размером менее двух сантиметров. В планах на будущее будет оптимизация метода для более крупных масштабов, а также для различных типов материалов и геометрии.
