Лазерный мир

Слева прозрачная керамика, использованная при сварке, справа обычная непрозрачная керамика. Фото David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Прочные электронные устройства, кардиостимуляторы без металлических частей и многое другое становится возможным благодаря новой технологии сварки керамики, которая не требует раскалять её в печи. Разработка описана в научной статье, опубликованной в журнале Science группой во главе с Хавьером Гараем (Javier Garay) из Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Керамика – чрезвычайно прочный, немагнитный и биосовместимый материал. Из неё можно было бы делать корпусы имплантатов, электронных устройств и так далее, если бы не одно «но»: сварку керамики приходится выполнять в печи.

«В настоящее время нет способа заключить в [керамический] корпус или запечатать внутри керамики электронные компоненты, потому что потребовалось бы поместить весь узел в печь, что в конечном итоге привело бы к выгоранию электроники», – объясняет Гарай.

Конечно, когда сваривают металл или пластик, никто не помещает изделие в печь целиком. Речь идёт о расплавлении деталей именно в месте соединения, и в современной промышленности это часто делается с помощью лазера.

Но у керамики очень высокая температура плавления. Попытки расплавить её в нужных точках, оставив достаточно холодной в других местах, до сих пор приводили лишь к тому, что изделие трескалось. При использовании лазеров проблемой становилось также испарение вещества.

Однако Гарай и коллеги подобрали оптимальные параметры процесса. Они использовали лазер с длительностью импульса две пикосекунды (что далеко не рекорд), миллионом импульсов в секунду и мощностью менее 50 Вт. Чтобы получить нужный результат, инженеры также использовали керамику с необходимой прозрачностью.

Для сварки требуется лазер мощностью менее 50 ватт. Фото David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering.

В результате материал плавился с минимальным испарением именно в месте шва, а достаточно близкие его «окрестности» сохраняли комнатную температуру.

«Сосредоточив энергию именно там, где нужно, мы избегаем возникновения [больших] температурных градиентов [по всему объёму], поэтому мы можем заключать в [керамический] кожух чувствительные к температуре материалы, не повреждая их», – резюмирует Гарай.

Слева прозрачная керамика, использованная при сварке, справа обычная непрозрачная керамика. Фото David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering.

В качестве демонстрации технологии исследователи заварили керамическую трубку прозрачным колпачком. Как показали испытания, швы получились достаточно прочными, чтобы выдерживать давление заключённого внутри воздуха, даже если снаружи был вакуум. Авторы отмечают, что это стандартный тест для определения прочности соединений в серийной электронике.

Правда, пока инженеры соединяли таким способом только керамические детали размером менее двух сантиметров. В дальнейшем они планируют оптимизировать процесс для работы с более крупными деталями.

Источник: https://nauka.vesti.ru/article/1226408