導讀
據美國加州大學聖迭戈分校官網近日報道，該校與加州大學河濱分校的工程師團隊開發出一項新的陶瓷焊接技術，它將讓不會刮傷或破碎的智能手機、不含金屬的心臟起搏器、太空及其他惡劣環境中使用的電子器件都變成現實。
背景
陶瓷材料非常吸引人，因為它們具有生物相容性，極度僵硬且抗破碎，所以非常適合用於生物醫學植入物和電子材料的保護套。然而，目前的陶瓷焊接程序不利於製造這些設備。
創新
近日，美國加州大學聖迭戈分校與加州大學河濱分校的工程師團隊開發出一項新的陶瓷焊接技術，它將讓不會刮傷或破碎的智能手機、不含金屬的心臟起搏器、太空及其他惡劣環境中使用的電子器件都變成現實。
這項研究由加州大學聖迭戈分校材料科學與工程系和機械工程系教授、論文高級作者 Javier E. Garay 與加州大學河濱分校教授和機械工程系主席 Guillermo Aguilar 一起合作領導。
這項工藝發表在8月23日出版的《科學（Science）》期刊上。它採用一種超高速脈衝激光沿著界面熔化陶瓷材料並將它們焊接到一起。這項工藝可以在普通環境條件下實現，並採用低於50瓦的激光功率，比需要在熔爐中加熱部件的現有陶瓷焊接技術更加實用。
技術
Garay 解釋道，從根本上來說將陶瓷焊接到一起的難度一直都很大，因為它們需要極高的溫度才能熔化，並要承受極端的溫度梯度，從而引起破裂。
Garay 表示：“目前，沒有方法可以在陶瓷內部包裝或者密封電子元器件，你必須將組裝好的整體放到熔爐中，熔爐最終會燒燬電子器件。”
Garay、Aguilar 及其同事們的解決方案，是用一系列短激光脈衝沿著兩個陶瓷部分之間的界面進行瞄準，使得熱量只在界面上逐步增長，並引發局部的熔化。他們稱他們的方法為“超高速激光脈衝焊接”。
下圖為用於測試和測量陶瓷材料透明度的激光裝置。
導讀
據美國加州大學聖迭戈分校官網近日報道，該校與加州大學河濱分校的工程師團隊開發出一項新的陶瓷焊接技術，它將讓不會刮傷或破碎的智能手機、不含金屬的心臟起搏器、太空及其他惡劣環境中使用的電子器件都變成現實。
背景
陶瓷材料非常吸引人，因為它們具有生物相容性，極度僵硬且抗破碎，所以非常適合用於生物醫學植入物和電子材料的保護套。然而，目前的陶瓷焊接程序不利於製造這些設備。
創新
近日，美國加州大學聖迭戈分校與加州大學河濱分校的工程師團隊開發出一項新的陶瓷焊接技術，它將讓不會刮傷或破碎的智能手機、不含金屬的心臟起搏器、太空及其他惡劣環境中使用的電子器件都變成現實。
這項研究由加州大學聖迭戈分校材料科學與工程系和機械工程系教授、論文高級作者 Javier E. Garay 與加州大學河濱分校教授和機械工程系主席 Guillermo Aguilar 一起合作領導。
這項工藝發表在8月23日出版的《科學（Science）》期刊上。它採用一種超高速脈衝激光沿著界面熔化陶瓷材料並將它們焊接到一起。這項工藝可以在普通環境條件下實現，並採用低於50瓦的激光功率，比需要在熔爐中加熱部件的現有陶瓷焊接技術更加實用。
技術
Garay 解釋道，從根本上來說將陶瓷焊接到一起的難度一直都很大，因為它們需要極高的溫度才能熔化，並要承受極端的溫度梯度，從而引起破裂。
Garay 表示：“目前，沒有方法可以在陶瓷內部包裝或者密封電子元器件，你必須將組裝好的整體放到熔爐中，熔爐最終會燒燬電子器件。”
Garay、Aguilar 及其同事們的解決方案，是用一系列短激光脈衝沿著兩個陶瓷部分之間的界面進行瞄準，使得熱量只在界面上逐步增長，並引發局部的熔化。他們稱他們的方法為“超高速激光脈衝焊接”。
下圖為用於測試和測量陶瓷材料透明度的激光裝置。
（圖片來源：David Baillot/加州大學聖迭戈分校雅各布工程學院）
為了讓該方案起作用，研究人員們必須進行兩方面優化：激光參數（曝光時間、激光脈衝的數量和脈衝的持續時間）以及陶瓷材料的透明度。通過正確的組合，激光能量與陶瓷強烈地結合到一起，從而讓我們可以在室溫下利用低功率（低於50瓦）激光完成焊接。
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據美國加州大學聖迭戈分校官網近日報道，該校與加州大學河濱分校的工程師團隊開發出一項新的陶瓷焊接技術，它將讓不會刮傷或破碎的智能手機、不含金屬的心臟起搏器、太空及其他惡劣環境中使用的電子器件都變成現實。
背景
陶瓷材料非常吸引人，因為它們具有生物相容性，極度僵硬且抗破碎，所以非常適合用於生物醫學植入物和電子材料的保護套。然而，目前的陶瓷焊接程序不利於製造這些設備。
創新
近日，美國加州大學聖迭戈分校與加州大學河濱分校的工程師團隊開發出一項新的陶瓷焊接技術，它將讓不會刮傷或破碎的智能手機、不含金屬的心臟起搏器、太空及其他惡劣環境中使用的電子器件都變成現實。
這項研究由加州大學聖迭戈分校材料科學與工程系和機械工程系教授、論文高級作者 Javier E. Garay 與加州大學河濱分校教授和機械工程系主席 Guillermo Aguilar 一起合作領導。
這項工藝發表在8月23日出版的《科學（Science）》期刊上。它採用一種超高速脈衝激光沿著界面熔化陶瓷材料並將它們焊接到一起。這項工藝可以在普通環境條件下實現，並採用低於50瓦的激光功率，比需要在熔爐中加熱部件的現有陶瓷焊接技術更加實用。
技術
Garay 解釋道，從根本上來說將陶瓷焊接到一起的難度一直都很大，因為它們需要極高的溫度才能熔化，並要承受極端的溫度梯度，從而引起破裂。
Garay 表示：“目前，沒有方法可以在陶瓷內部包裝或者密封電子元器件，你必須將組裝好的整體放到熔爐中，熔爐最終會燒燬電子器件。”
Garay、Aguilar 及其同事們的解決方案，是用一系列短激光脈衝沿著兩個陶瓷部分之間的界面進行瞄準，使得熱量只在界面上逐步增長，並引發局部的熔化。他們稱他們的方法為“超高速激光脈衝焊接”。
下圖為用於測試和測量陶瓷材料透明度的激光裝置。
（圖片來源：David Baillot/加州大學聖迭戈分校雅各布工程學院）
為了讓該方案起作用，研究人員們必須進行兩方面優化：激光參數（曝光時間、激光脈衝的數量和脈衝的持續時間）以及陶瓷材料的透明度。通過正確的組合，激光能量與陶瓷強烈地結合到一起，從而讓我們可以在室溫下利用低功率（低於50瓦）激光完成焊接。
透明陶瓷（左）與傳統不透明陶瓷（右）的透光性對比。（圖片來源：加州大學聖迭戈分校）
Aguilar 表示：“超高速脈衝的‘甜蜜點’是在1兆赫茲中以高重複率出現的2皮秒，以及適度的脈衝總量。這使得熔化直徑最大化、材料燒蝕最小化，並且可實現定時冷卻，從而儘可能達到最佳的焊接效果。”
Garay 表示：“通過將我們在這裡想要的能量聚焦到一起，我們避免了設置遍佈整個陶瓷的溫度梯度，從而使我們可在不損毀這些溫度敏感的材料的情況下包裝它們。”
為了進行概念驗證，研究人員們將一個透明的圓柱形蓋子焊接到陶瓷管內部。測試表明，這個焊接的強度足以保持真空。
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據美國加州大學聖迭戈分校官網近日報道，該校與加州大學河濱分校的工程師團隊開發出一項新的陶瓷焊接技術，它將讓不會刮傷或破碎的智能手機、不含金屬的心臟起搏器、太空及其他惡劣環境中使用的電子器件都變成現實。
背景
陶瓷材料非常吸引人，因為它們具有生物相容性，極度僵硬且抗破碎，所以非常適合用於生物醫學植入物和電子材料的保護套。然而，目前的陶瓷焊接程序不利於製造這些設備。
創新
近日，美國加州大學聖迭戈分校與加州大學河濱分校的工程師團隊開發出一項新的陶瓷焊接技術，它將讓不會刮傷或破碎的智能手機、不含金屬的心臟起搏器、太空及其他惡劣環境中使用的電子器件都變成現實。
這項研究由加州大學聖迭戈分校材料科學與工程系和機械工程系教授、論文高級作者 Javier E. Garay 與加州大學河濱分校教授和機械工程系主席 Guillermo Aguilar 一起合作領導。
這項工藝發表在8月23日出版的《科學（Science）》期刊上。它採用一種超高速脈衝激光沿著界面熔化陶瓷材料並將它們焊接到一起。這項工藝可以在普通環境條件下實現，並採用低於50瓦的激光功率，比需要在熔爐中加熱部件的現有陶瓷焊接技術更加實用。
技術
Garay 解釋道，從根本上來說將陶瓷焊接到一起的難度一直都很大，因為它們需要極高的溫度才能熔化，並要承受極端的溫度梯度，從而引起破裂。
Garay 表示：“目前，沒有方法可以在陶瓷內部包裝或者密封電子元器件，你必須將組裝好的整體放到熔爐中，熔爐最終會燒燬電子器件。”
Garay、Aguilar 及其同事們的解決方案，是用一系列短激光脈衝沿著兩個陶瓷部分之間的界面進行瞄準，使得熱量只在界面上逐步增長，並引發局部的熔化。他們稱他們的方法為“超高速激光脈衝焊接”。
下圖為用於測試和測量陶瓷材料透明度的激光裝置。
（圖片來源：David Baillot/加州大學聖迭戈分校雅各布工程學院）
為了讓該方案起作用，研究人員們必須進行兩方面優化：激光參數（曝光時間、激光脈衝的數量和脈衝的持續時間）以及陶瓷材料的透明度。通過正確的組合，激光能量與陶瓷強烈地結合到一起，從而讓我們可以在室溫下利用低功率（低於50瓦）激光完成焊接。
透明陶瓷（左）與傳統不透明陶瓷（右）的透光性對比。（圖片來源：加州大學聖迭戈分校）
Aguilar 表示：“超高速脈衝的‘甜蜜點’是在1兆赫茲中以高重複率出現的2皮秒，以及適度的脈衝總量。這使得熔化直徑最大化、材料燒蝕最小化，並且可實現定時冷卻，從而儘可能達到最佳的焊接效果。”
Garay 表示：“通過將我們在這裡想要的能量聚焦到一起，我們避免了設置遍佈整個陶瓷的溫度梯度，從而使我們可在不損毀這些溫度敏感的材料的情況下包裝它們。”
為了進行概念驗證，研究人員們將一個透明的圓柱形蓋子焊接到陶瓷管內部。測試表明，這個焊接的強度足以保持真空。
激光焊接由連接陶瓷管的透明蓋子組成的陶瓷組件。（圖片來源：Garay 實驗室）
該項目參與者、加州大學聖迭戈分校 Garay 課題組的博士後研究員、論文第一作者 Elias Penilla 表示：“我們在焊接中採用的真空試驗，和工業生產中驗證電子和光電子器件密封所採用的試驗一樣。”
未來
這個工藝目前只用於焊接尺寸小於兩釐米的小型陶瓷部件。未來的計劃將涉及這個方法的優化，從而使之應用於更大尺寸的部件，以及各種不同的材料和幾何形狀。
關鍵字
陶瓷、工藝、激光
參考資料
【1】E. H. Penilla, L. F. Devia-Cruz, A. T. Wieg, P. Martinez-Torres, N. Cuando-Espitia, P. Sellappan, Y. Kodera, G. Aguilar, J. E. Garay. Ultrafast Laser Welding of Ceramics. Science, 2019 DOI: 10.1126/science.aaw6699
【2】https://ucsdnews.ucsd.edu/pressrelease/lasers-enable-engineers-to-weld-ceramics-no-furnace-required
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