Lasersvetsad keramisk enhet bestående av en genomskinlig cylindrisk kåpa sammanfogad med ett keramiskt rör. Kredit:Garay lab/UC San Diego Jacobs School of Engineering
Smartphones som inte repar eller splittras. Metallfria pacemakers. Elektronik för rymden och andra tuffa miljöer. Dessa skulle alla kunna göras möjliga tack vare en ny keramisk svetsteknik utvecklad av ett team av ingenjörer vid University of California San Diego och University of California Riverside.
Processen, publicerad i numret 23 augusti av Vetenskap , använder en ultrasnabb pulsad laser för att smälta keramiska material längs gränssnittet och smälta samman dem. Den fungerar i omgivningsförhållanden och använder mindre än 50 watt lasereffekt, vilket gör det mer praktiskt än nuvarande keramiska svetsmetoder som kräver uppvärmning av delarna i en ugn.
Keramik har varit fundamentalt utmanande att svetsa ihop eftersom de behöver extremt höga temperaturer för att smälta, utsätta dem för extrema temperaturgradienter som orsakar sprickbildning, förklarade seniorförfattaren Javier E. Garay, en professor i maskinteknik och materialvetenskap och teknik vid UC San Diego, som ledde arbetet i samarbete med UC Riverside professor och ordförande för maskinteknik Guillermo Aguilar.
Keramiska material är av stort intresse eftersom de är biokompatibla, extremt hårt och sprickbeständigt, vilket gör dem idealiska för biomedicinska implantat och skyddshöljen för elektronik. Dock, nuvarande keramiska svetsprocedurer är inte gynnsamma för att tillverka sådana anordningar.
Laseruppsättning används för att testa och mäta genomskinligheten hos keramiska material. Kredit:David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
"Just nu finns det inget sätt att omsluta eller försegla elektroniska komponenter inuti keramik eftersom du skulle behöva placera hela enheten i en ugn, som skulle sluta bränna elektroniken, " sa Garay.
Garay, Aguilar och kollegors lösning var att rikta en serie korta laserpulser längs gränssnittet mellan två keramiska delar så att värme byggs upp endast vid gränssnittet och orsakar lokal smältning. De kallar sin metod för ultrasnabb pulsad lasersvetsning.
För att få det att fungera, forskarna var tvungna att optimera två aspekter:laserparametrarna (exponeringstid, antal laserpulser, och varaktigheten av pulser) och det keramiska materialets genomskinlighet. Med rätt kombination, laserenergin kopplar starkt till keramen, gör att svetsar kan göras med låg lasereffekt (mindre än 50 watt) vid rumstemperatur.
"The sweet spot för ultrasnabba pulser var två pikosekunder vid den höga repetitionshastigheten på en megahertz, tillsammans med ett måttligt totalt antal pulser. Detta maximerade smältdiametern, minimerad materialablation, och tidsinställd kylning precis rätt för bästa möjliga svetsning, sa Aguilar.
Optisk överföring genom en transparent keramik (vänster) jämfört med en traditionell ogenomskinlig keramik (höger). Kredit:David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
"Genom att fokusera energin där vi vill ha den, vi undviker att sätta upp temperaturgradienter i hela keramiken, så att vi kan innesluta temperaturkänsliga material utan att skada dem, " sa Garay.
Som ett bevis på konceptet, forskarna svetsade en transparent cylindrisk kåpa på insidan av ett keramiskt rör. Tester visade att svetsarna är tillräckligt starka för att hålla vakuum.
"Vakuumtesterna vi använde på våra svetsar är samma tester som används inom industrin för att validera tätningar på elektroniska och optoelektroniska enheter, " sa första författaren Elias Penilla, som arbetat med projektet som postdoktor i Garays forskargrupp vid UC San Diego.
Processen har hittills endast använts för att svetsa små keramiska delar som är mindre än två centimeter stora. Framtida planer kommer att innebära att optimera metoden för större skalor, samt för olika typer av material och geometrier.
