Лазеры позволили соединить керамику без печи

Команда инженеров из калифорнийских университетов Сан-Диего и Риверсайда разработали новый метод сварки керамики, позволяющий создать устойчивые к механическим повреждениям смартфоны, не содержащие металла кардиостимуляторы и другие устройства.

Процесс использует сверхбыстрые лазерные импульсы, чтобы расплавить керамические материалы на границе сред и соединить их, сообщает sciencedaily.com. Технология работает в условиях окружающей среды. Ей требуется менее 50 Вт лазерной мощности, что повышает практичность метода в сравнении с традиционной сваркой керамики, использующей печи.

Результаты исследования опубликованы в Science.

Керамические элементы сложно соединить из-за высоких температур, требующихся для плавления. Ее воздействие ведет к растрескиванию, объяснил старший автор работы, профессор Хавьер Э. Гарай из Сан-Диего. Он возглавлял исследование с профессором Гильермо Агиларом из Риверсайда.

Ученые интересуются керамикой из-за биосовместимости, твердости и устойчивости к царапинам. Это делает материал идеальным решением для имплантатов и защитной оболочки электронов. Но существующие процедуры сварки керамики не подходят для создания таких устройств.

«Сейчас у нас нет возможности внедрять в материал электронные компоненты. Требуется поместить всю структуру в печь, где устройства просто сгорят», — сказал Гарай.

Команда решила проблему, направив серии коротких лазерных импульсов вдоль поверхности контакта двух керамических элементов. Нагрев формировался только на ней, вызывая локальное расплавление. Авторы назвали метод сверхбыстрой импульсной лазерной сваркой.

Для использования техники требуется оптимизировать 2 аспекта: параметры лазера (время действия, количество и длительность импульсов) и прозрачность материалов. Правильное сочетание позволяет использовать маломощные устройства (менее 50 Вт) при комнатной температуре.

«Оптимальным решением оказались импульсы по 2 пиктосекунды с частотой 1 МГц. Так мы максимально увеличили диаметр расплава, минимизировали абляцию материала и получили оптимальную скорость охлаждения», — сказал Агилар.

Для подтверждения работоспособности концепции ученые приварили прозрачную цилиндрическую крышку к керамической трубе. Тесты показали, что швы были достаточно прочными для удержания вакуума. Пока процесс используется для соединения небольших деталей, размером до 2 см. Авторы планируют масштабировать метод, приспособить его к разным материалам и формам.