I laser possono saldare la ceramica senza forno

Smartphone che non si graffiano né si frantumano. Pacemaker privi di metalli. Elettronica per lo spazio e altri ambienti difficili. Tutto ciò potrebbe essere reso possibile grazie a una nuova tecnologia di saldatura ceramica sviluppata da un team di ingegneri guidati da UC Riverside e UC San Diego.

Il processo, pubblicato nel numero del 23 agosto di Science, utilizza un laser pulsato ultraveloce per fondere i materiali ceramici lungo l'interfaccia e fonderli insieme. Funziona in condizioni ambientali e utilizza meno di 50 watt di potenza laser, rendendolo più pratico degli attuali metodi di saldatura della ceramica che richiedono il riscaldamento delle parti in un forno.

Le ceramiche sono state fondamentalmente difficili da saldare insieme perché hanno bisogno di temperature estremamente elevate per fondersi, esponendole a gradienti di temperatura estremi che causano fessurazioni, ha spiegato l’autore senior Javier E. Garay, professore di ingegneria meccanica e scienza e ingegneria dei materiali alla UC San Diego che ha guidato il lavoro con il professore dell'UC Riverside e presidente di ingegneria meccanica Guillermo Aguilar.

I materiali ceramici sono di grande interesse perché sono biocompatibili, estremamente duri e infrangibili, rendendoli ideali per impianti biomedici e involucri protettivi per l'elettronica. Tuttavia, le attuali procedure di saldatura della ceramica non sono favorevoli alla realizzazione di tali dispositivi.

"Al momento, non c'è modo di racchiudere o sigillare i componenti elettronici all'interno della ceramica perché bisognerebbe mettere l'intero assemblaggio in una fornace, che finirebbe per bruciare i componenti elettronici", ha detto Garay.

La soluzione del team è stata quella di puntare una serie di brevi impulsi laser lungo l'interfaccia tra due parti in ceramica, in modo che il calore si accumuli solo sull'interfaccia e causi una fusione localizzata. Chiamano il loro metodo “saldatura laser pulsata ultraveloce”.

Per farlo funzionare, i ricercatori hanno dovuto ottimizzare due aspetti: i parametri del laser (tempo di esposizione, numero di impulsi laser e durata degli impulsi) e la trasparenza del materiale ceramico. Con la giusta combinazione, l'energia del laser si accoppia fortemente con la ceramica, consentendo di effettuare saldature utilizzando una bassa potenza laser (meno di 50 watt) e a temperatura ambiente.

“Il punto ottimale degli impulsi ultraveloci era di due picosecondi all’elevata frequenza di ripetizione di un megahertz, insieme a un numero totale moderato di impulsi. Ciò ha massimizzato il diametro della fusione, ridotto al minimo l’ablazione del materiale e il raffreddamento temporizzato giusto per la migliore saldatura possibile”, ha affermato Aguilar.

"Concentrando l'energia proprio dove vogliamo, evitiamo di creare gradienti di temperatura in tutta la ceramica e possiamo racchiudere materiali sensibili alla temperatura senza danneggiarli", ha affermato Garay.

Come prova del concetto, i ricercatori hanno saldato un tappo cilindrico trasparente all’interno di un tubo di ceramica. I test hanno dimostrato che le saldature sono abbastanza resistenti da sostenere il vuoto.

"I test del vuoto che abbiamo utilizzato sulle nostre saldature sono gli stessi test utilizzati nell'industria per convalidare le guarnizioni dei dispositivi elettronici e optoelettronici", ha affermato il primo autore Elias Penilla, che ha lavorato al progetto come ricercatore post-dottorato nel gruppo di ricerca di Garay presso l'UC San Diego.

Finora il processo è stato utilizzato solo per saldare piccole parti in ceramica di dimensioni inferiori a due centimetri. I piani futuri riguarderanno l’ottimizzazione del metodo per scale più grandi, nonché per diversi tipi di materiali e geometrie.

L’articolo “Saldatura laser ultraveloce della ceramica” è pubblicato su Science. I coautori includono AT Wieg, P. Sellappan e Y. Kodera, UC San Diego; e LF Devia-Cruz, P. Martinez e N. Cuando-Espitia, UC Riverside.

Questo lavoro è stato finanziato dalla Defense Advanced Research Projects Agency (contratto DARPA HR0011-16-2-0018), dalla National Science Foundation (contratto di sovvenzione NSF-PIRE n. 1545852) e dall'Ufficio di ricerca e sviluppo economico dell'UC Riverside.