Керамиката навлиза в нова ера с лазерно заваряване стави

Керамиката навлиза в нова ера с лазерно заварени фугиEnlargeGaray Lab

Какво прави добър строителен материал? Има много изисквания, но едно е способността за ефективно свързване различни части. Стоманата е почти перфектният пример: можете да се присъедините стомана с крепежни елементи (като гайки и болтове), чрез запояване или чрез заваряване. Последният от тях е особено важен. Ако не можахме заваръчни метали, животът би бил съвсем различен.

Не виждате това с керамика. Керамичните части са здраво износо чудо на съвременния живот, но за разлика от стоманата и алуминия, няма да намерите керамика навсякъде. Това е така, защото керамиката, макар и много полезни, са трудни за работа. Присъединяване към две керамика или дори свързването на керамика с метал е трудно и процес, отнемащ енергия, тъй като керамиката не може да бъде заварена. Това се промени, благодарение на екип от изследователи, който е разработване на керамичен лазер за заваряване.

Заваряването е нитове

Заваряването е наистина специален процес. На едно ниво е много прост: загрейте два материала, докато се стопят и не се стичат заедно. Топенето обаче е само локално, така че има само минимално деформация към останалата част на частта. Ставата трябва да бъде здрава, което означава, че промените в структурата на метала не трябва бъдете твърде драматични. Топящите се метали са склонни да окисляват енергично, усложнява процеса.

Керамичното заваряване трябва да бъде подобно. Керамичните части биха били загрява се локално, така че да се стопят и да се обединяват заедно. При охлаждане на течност прекристализира, за да пресъздаде керамиката. Тъй като керамиката е окислен вече, дори не е нужно да се тревожите твърде много подпали се – облекчение за мен, тъй като имам малко пламтящ запис.

Проблемът е в доставянето на топлина до правилното място керамиката не води много топлина, лазерите са оръжието на избор за прецизно нагряване. За съжаление керамиката не е ефикасна поглъщат светлина; вместо това те всъщност са много добри в разсейването светлина. Това означава, че лазерът не образува приятен фокус върху място на заваряване и завършва леко загряване на широка площ от керамика.

За да заварявате, трябва да се съсредоточите

Оттук идват най-новите изследвания. Първо, учени отбеляза, че има много приложения за прозрачни керамика. За тези материали лазерната светлина не се разпръсва и може формират добър фокус. Тогава проблемът се превръща в усвояване енергия: прозрачен материал, по дефиниция, не абсорбира лазерна светлина, така че няма да се нагрява

За да разберем как изследователите са преодолели този проблем, имаме нужда за да разберем какво прави материала прозрачен. За да поглъщате светлина, един електрон трябва да абсорбира фотон, за да премине от едно състояние в a състояние с по-висока енергия. Прозрачната (или бялата) керамика има кристал структура, която поставя голяма пропаст между ниската и високата енергия състояния. Повечето фотони не могат да тласнат електроните във високоенергийната състояние и, така, минават през материала.

Това означава, че за да доставят ефективно заварката, дължината на лазерната вълна трябва да бъде в ултравиолетовата – трудно, но не е невъзможно. Алтернативата е да се използват много къси импулси на светлина с по-голяма дължина на вълната. Във фокусната точка на лазера, има толкова много фотони, че един електрон може да абсорбира два фотона едновременно, натрупвайки необходимата енергия за преминаване към по-високо енергийно състояние. Предимството на този подход е, че е много високо се изисква интензитет, за да има достатъчно фотони, така че лазерната светлина е усвоява се само когато е фокусирана. Това осигурява висока степен на контролират къде се случва топене.

Изследователите демонстрираха това с лазер, който излъчваше светлинни импулси, дълги между 0,2 и 2 пикосекунди (a пикосекундата е 10-12секунди). Те се фокусираха върху светлина през прозрачна керамична капачка, така че да се стопи керамика точно на границата между капачката и подлежащия керамичен цилиндър. След някаква настройка, за да определите колко импулси и каква мощност е необходима, за да се получи точното количество разтопен материал (наречен “топене басейн”), те излязоха с много добър заварка.

Представените от тях данни показват, че тяхната заварка е достатъчна за отговарят на различни спецификации на опаковките, необходими за използваната електроника в биомедицинската и космическата индустрия. Още по-добре, защото фотоните се абсорбират само във фокуса, топлината се доставя локално. Встрани от заварката, керамиката остава приятна и хладна. Най- изследователите показаха, че електрониката може да бъде опакована прозрачна керамика без повреди.

Оказа се също, че малко по-дълги импулси (2 пикосекунди) бяха по-добри от късите импулси. Късите импулси или изпаряват материал или не са имали достатъчно енергия за разтопяване на керамиката операционният прозорец за заваряване беше много тесен.

Светлина за стрелба надолу по пропастта

За керамика, която не е прозрачна, разпръскването предотвратява лазер от фокусиране. Въпреки това, изследователите откриха, че ако ръбовете на керамиката са разделени от приблизително ширината на фокусиран лазерен лъч, тогава достатъчно енергия се фокусира върху ставата и на правилната дълбочина, за да се разтопи материал и да се образува заварка. Отново изследователите демонстрираха това прекрасно. В този случай лазерът има за достъп до ставата през тази празнина, така че ставата не може да бъде погребан. Това обаче е така и при повечето заваряване на метали техники.

Лазерът, който изследователите използваха, не беше особено специален, или. Лазери, които генерират пикосекундни импулси с средните мощност от 50W не са толкова трудни за получаване. Това означава, че това това вероятно ще го направи доста на фабричния етаж бързо.

Science, 2019, DOI: 10.1126 / science.aaw6699 (За DOI)

Like this post? Please share to your friends:
Leave a Reply

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: