Les lasers peuvent souder la céramique sans four

Des smartphones qui ne se rayent pas et ne se brisent pas. Stimulateurs cardiaques sans métal. Électronique pour l’espace et autres environnements difficiles. Tout cela pourrait être rendu possible grâce à une nouvelle technologie de soudage céramique développée par une équipe d’ingénieurs dirigée par UC Riverside et UC San Diego.

Le processus, publié dans le numéro du 23 août de Science, utilise un laser pulsé ultrarapide pour faire fondre les 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 actuelles de soudage de la céramique qui nécessitent de chauffer les pièces dans un four.

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

Les matériaux céramiques présentent un grand intérêt car ils sont biocompatibles, extrêmement durs et incassables, ce qui les rend idéaux pour les implants biomédicaux et les boîtiers de protection pour l'électronique. Cependant, les procédés actuels de soudage des céramiques ne permettent pas de réaliser de tels dispositifs.

"À l'heure actuelle, il n'existe aucun moyen d'enfermer ou de sceller des composants électroniques dans de la céramique, car il faudrait placer l'ensemble dans un four, ce qui finirait par brûler l'électronique", a déclaré Garay.

La solution de l'équipe consistait à diriger une série d'impulsions laser courtes le long de l'interface entre deux pièces en céramique, de sorte que la chaleur ne s'accumule qu'à l'interface et provoque une fusion localisée. Ils appellent leur méthode « soudage laser pulsé ultrarapide ».

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 se couple fortement à la céramique, permettant de réaliser des soudures avec une faible puissance laser (moins de 50 watts) et à température ambiante.

« Le point idéal des impulsions ultrarapides était de deux picosecondes au taux de répétition élevé d’un mégahertz, avec un nombre total d’impulsions modéré. Cela a permis de maximiser le diamètre de fusion, de minimiser l'ablation du matériau et de synchroniser le refroidissement pour obtenir la meilleure soudure possible », a déclaré Aguilar.

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

Pour preuve de 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 joints d'étanchéité des 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. Diégo.

Jusqu’à présent, ce procédé n’a été utilisé que pour souder de petites pièces en céramique mesurant moins de deux centimètres. Les projets futurs consisteront à optimiser la méthode à plus grande échelle, ainsi que pour différents types de matériaux et de géométries.

L'article intitulé « Soudage laser ultrarapide des céramiques » est publié dans Science. Les co-auteurs incluent AT Wieg, P. Sellappan et Y. Kodera, UC San Diego ; et LF Devia-Cruz, P. Martinez et N. Cuando-Espitia, UC Riverside.

Ce travail a été financé par la Defense Advanced Research Projects Agency (contrat DARPA HR0011-16-2-0018), la National Science Foundation (contrat de subvention NSF-PIRE n° 1545852) et le bureau de recherche et de développement économique de l'UC Riverside.