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Les lasers permettent aux ingénieurs de souder la céramique, aucun four n'est requis

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Les lasers permettent aux ingénieurs de souder la céramique, aucun four n'est requis

Assemblage en céramique soudée au laser consistant en un capuchon cylindrique transparent relié à un tube en céramique. Crédit: Laboratoire Garay / École d'ingénieurs UC San Diego Jacobs

Les smartphones qui ne se rayent pas et ne se brisent pas. Stimulateurs sans métal. Électronique pour l'espace et autres environnements difficiles. Tout cela pourrait être rendu possible grâce à une nouvelle technologie de soudage céramique mise au point par une équipe d'ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego et de l'Université de Californie Riverside.

Le processus, publié dans le numéro du 23 août de Science, utilise un ultra-rapide pulsé laser fondre matériaux céramiques le long de l'interface et les fusionner. Il fonctionne dans des conditions ambiantes et utilise moins de 50 watts de puissance laser, ce qui le rend plus pratique que les méthodes de soudage céramiques actuelles qui nécessitent de chauffer les pièces dans un four.

Les céramiques ont été fondamentalement difficiles à souder ensemble car elles ont besoin de températures extrêmement élevées pour fondre, ce qui les expose à des gradients de température extrêmes qui provoquent des fissures, a expliqué l'auteur principal, Javier E. Garay, professeur de génie mécanique. la science des matériaux et ingénierie à UC San Diego, qui a dirigé les travaux en collaboration avec le professeur UC Riverside et la chaire de génie mécanique Guillermo Aguilar.

Les matériaux céramiques présentent un grand intérêt car ils sont biocompatibles, extrêmement durs et résistants à l'éclatement, ce qui les rend idéaux pour les implants biomédicaux et les enveloppes protectrices pour l'électronique. Cependant, les procédures de soudage en céramique actuelles ne sont pas propices à la fabrication de tels dispositifs.

Les lasers permettent aux ingénieurs de souder la céramique, aucun four n'est requis

Configuration laser utilisée pour tester et mesurer la transparence des matériaux céramiques. Crédit: David Baillot / UC School of Engineering de San Diego Jacobs

"À l'heure actuelle, il n'y a aucun moyen d'envelopper ou de sceller Composants electroniques dans la céramique parce que vous auriez à mettre l'ensemble dans un four, ce qui finirait par brûler l'électronique ", a déclaré Garay.

La solution de Garay, Aguilar et ses collègues consistait à orienter une série de courtes impulsions laser le long de l’interface entre deux pièces en céramique, de manière à ce que la chaleur ne s’accumule que sur l’interface et provoque une fusion localisée. Ils appellent leur méthode de soudage au laser pulsé ultra-rapide.

Pour que cela fonctionne, les chercheurs ont dû optimiser deux aspects: les paramètres du laser (temps d'exposition, nombre d'impulsions laser et durée des impulsions) et la transparence du matériau céramique. Avec la bonne combinaison, l’énergie laser est fortement couplée à la céramique, ce qui permet de réaliser des soudures avec une puissance laser faible (moins de 50 watts) à température ambiante.

"La limite idéale des impulsions ultra-rapides était de deux picosecondes avec un taux de répétition élevé d'un mégahertz, avec un nombre total modéré d'impulsions. Ceci maximisait le diamètre du bain de fusion, minimisait l'ablation du matériau et permettait un refroidissement chronométré juste pour la meilleure soudure possible", Dit Aguilar.

Les lasers permettent aux ingénieurs de souder la céramique, aucun four n'est requis

Transmission optique à travers une céramique transparente (à gauche) par rapport à une céramique opaque traditionnelle (à droite). Crédit: David Baillot / UC School of Engineering de San Diego Jacobs

"En concentrant l'énergie là où nous le voulons, nous évitons de créer des gradients de température dans toute la céramique. Nous pouvons donc envelopper des matériaux sensibles à la température sans les endommager", a déclaré Garay.

Pour prouver le concept, les chercheurs ont soudé un capuchon cylindrique transparent à l'intérieur d'un tube en céramique. Les tests ont montré que les soudures sont suffisamment solides pour résister au vide.

"Les tests de vide que nous avons utilisés sur nos soudures sont les mêmes que ceux utilisés dans l'industrie pour valider les scellés d'appareils électroniques et optoélectroniques", a déclaré le premier auteur Elias Penilla, qui a travaillé sur le projet en tant que chercheur postdoctoral dans le groupe de recherche de Garay à l'UC San. Diego.

Le procédé n’a jusqu’à présent été utilisé que pour souder de petites pièces en céramique d’une taille inférieure à deux centimètres. Les plans futurs impliqueront l'optimisation de la méthode pour de plus grandes échelles, ainsi que pour différents types de matériaux et de géométries.


Une percée dans le soudage pourrait transformer la fabrication


Plus d'information:
"Soudage laser ultra-rapide de céramiques" Science (2019). science.sciencemag.org/cgi/doi… 1126 / science.aaw6699

Fourni par
Université de Californie – San Diego

Citation:
                                                 Les lasers permettent aux ingénieurs de souder de la céramique, aucun four n'est requis (22 août 2019)
                                                 récupéré le 22 août 2019
                                                 de https://techxplore.com/news/2019-08-lasers-enable-weld-ceramics-furnace.html

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