“激光熔接”陶瓷，安全又节能学术资讯

陶瓷材料具有良好的性能，但其“熔接加工”的难度很大。

不会产生划痕或摔碎的智能手机？不含金属的心脏起搏器？可以在太空和其他恶劣环境中稳定工作的电子器件？这些理想中的设备有可能成为现实。sciencedaily.com网站8月22日报道，美国加州大学圣地亚哥分校（简称UCSD）和加州大学河滨分校（简称UCR）的工程师们在《科学》杂志发布了一种新型陶瓷熔接技术。该技术利用超快脉冲激光沿界面熔化陶瓷材料，并将其熔合在一起。该技术适应室温条件，使用的激光功率约50瓦。新技术比熔炉加热的陶瓷熔接技术更具实用性。UCSD机械工程和材料科学与工程教授、论文作者Javier E. Garay解释说：“陶瓷材料对熔接技术的根本挑战在于它需要极高的融化温度和较小的温度梯度。”

陶瓷材料具有良好的生物相容性、极高的硬度和抗碎裂性，是制造医用植入材料和电子产品保护套的理想材料。然而，目前的陶瓷熔接工艺并不适用于此类器件的制造。Garay说：“工程师们无法将电子元件封装在陶瓷内部——整个设备在放入熔炉后，电子元件就被烧毁了。”Garay等的解决方案是用短激光脉冲沿着两个陶瓷部件的界面进行处理，这样热量就只会在界面处累积，进而导致局部熔化。为了使超快脉冲激光熔接技术正常工作，研究人员必须优化两方面的参数设置：激光参数（曝光时间、脉冲数和脉冲持续时间）和陶瓷材料的透明度。通过恰当组合，工程师们就能在室温条件下，用低功率激光将陶瓷熔接在一起。UCR教授Guillermo Aguilar说：“在1兆赫的高重复率下，超快脉冲的最佳时间为2皮秒。这时溶体直径最大且材料烧蚀最小。”Garay补充说：“通过将能量按需集中，我们就能封装温度敏感材料，避免其损坏。”为了验证工艺可靠性，研究人员在陶瓷管内部熔接了一个透明的圆柱形帽结构。强度测试结果表明，接缝处强度足以承受真空。UCSD博士后研究员、论文作者Elias Penilla说：“我们对接缝处使用的真空测试与工业上验证电子和光电设备密封性的测试是相同的。”

目前，该工艺还只能用于熔接尺寸小于两厘米的小型陶瓷部件。下一阶段，研究人员计划进一步优化工艺，以提高其对材料尺寸、材料类型与形状的适应性。

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编译：雷鑫宇

审稿：阿淼

责编：唐林芳

期刊来源：《科学》

期刊编号：0036-8075

原文链接：

https://www.sciencedaily.com/releases/2019/08/190822141946.htm