Smartphones die niet krassen of breken. Metaalvrije pacemakers. Elektronica voor de ruimte en andere ruwe omgevingen. Dit zou allemaal mogelijk kunnen worden gemaakt dankzij een nieuwe keramische lastechnologie die is ontwikkeld door een team van ingenieurs van de University of California San Diego en de University of California Riverside.

Het proces, gepubliceerd in het nummer van 23 augustus van Wetenschap , gebruikt een ultrasnelle gepulste laser om keramische materialen langs de interface te smelten en samen te smelten. Het werkt in omgevingsomstandigheden en gebruikt minder dan 50 watt laservermogen, waardoor het praktischer is dan de huidige keramische lasmethoden waarbij de onderdelen in een oven moeten worden verwarmd.

Keramiek is een fundamentele uitdaging geweest om aan elkaar te lassen, omdat ze extreem hoge temperaturen nodig hebben om te smelten, ze bloot te stellen aan extreme temperatuurgradiënten die barsten veroorzaken, verklaarde senior auteur Javier E. Garay, een professor in werktuigbouwkunde en materiaalkunde en techniek aan UC San Diego, die het werk leidde in samenwerking met UC Riverside-professor en voorzitter van werktuigbouwkunde Guillermo Aguilar.

Keramische materialen zijn van groot belang omdat ze biocompatibel zijn, extreem hard en breukvast, waardoor ze ideaal zijn voor biomedische implantaten en beschermende behuizingen voor elektronica. Echter, de huidige keramische lasprocedures zijn niet bevorderlijk voor het maken van dergelijke apparaten.

"Op dit moment is er geen manier om elektronische componenten in keramiek te omhullen of af te dichten, omdat je het hele samenstel in een oven zou moeten plaatsen, die uiteindelijk de elektronica zou verbranden, ' zei Garay.

Garay, De oplossing van Aguilar en collega's was om een ​​reeks korte laserpulsen langs het grensvlak tussen twee keramische onderdelen te richten, zodat alleen bij het grensvlak warmte opbouwt en plaatselijk smelten veroorzaakt. Ze noemen hun methode ultrasnel gepulseerd laserlassen.

Om het te laten werken, moesten de onderzoekers twee aspecten optimaliseren:de laserparameters (belichtingstijd, aantal laserpulsen, en duur van pulsen) en de transparantie van het keramische materiaal. Met de juiste combinatie de laserenergie koppelt sterk aan het keramiek, waardoor lassen kunnen worden gemaakt met een laag laservermogen (minder dan 50 watt) bij kamertemperatuur.

"De sweet spot van ultrasnelle pulsen was twee picoseconden bij de hoge herhalingssnelheid van één megahertz, samen met een matig totaal aantal pulsen. Dit maximaliseerde de smeltdiameter, geminimaliseerde materiële ablatie, en getimede koeling precies goed voor de best mogelijke las, ' zei Aguilar.

"Door de energie precies daar te richten waar we het willen, we vermijden het opzetten van temperatuurgradiënten door het hele keramiek, zodat we temperatuurgevoelige materialen kunnen omhullen zonder ze te beschadigen, ' zei Garay.

Als proof-of-concept, de onderzoekers lasten een doorzichtige cilindrische dop aan de binnenkant van een keramische buis. Tests hebben uitgewezen dat de lassen sterk genoeg zijn om vacuüm vast te houden.

"De vacuümtests die we op onze lassen hebben gebruikt, zijn dezelfde tests die in de industrie worden gebruikt om afdichtingen op elektronische en opto-elektronische apparaten te valideren, " zei eerste auteur Elias Penilla, die aan het project werkte als postdoctoraal onderzoeker in de onderzoeksgroep van Garay aan de UC San Diego.

Het proces is tot nu toe alleen gebruikt om kleine keramische onderdelen te lassen die kleiner zijn dan twee centimeter. Toekomstplannen zullen betrekking hebben op het optimaliseren van de methode voor grotere schalen, evenals voor verschillende soorten materialen en geometrieën.