近日重磅Science：超快激光焊接陶瓷重大突破

研究背景

焊接是一种重要的材料加工工艺。然而，用传统的焊接工艺无法将陶瓷与温度敏感材料（如聚合物、电子元件等）焊接在一起。这使陶瓷焊接仅限于简单的形状，且难以进行二次加工。

就传统的陶瓷焊接方法而言：1. 扩散焊接需要将整个陶瓷材料长时间置于高温环境下，并需要对陶瓷收缩动力学进行精确的模拟，以保证陶瓷材料达到紧密度容限。因此，扩散焊接只适用于种类极其有限的昂贵陶瓷材料；2. 无高温预热条件下，连续波（CW）激光在陶瓷焊接过程中会因热震动引起宏观裂纹，使陶瓷失效。

近年来，超快脉冲（UF）激光已成为陶瓷焊接的先进加工手段。据报导，用超快激光加工的玻璃（如硼硅酸盐）具有比典型的工程陶瓷（如氧化锆、氧化铝等）更低的断裂强度和抗热震性。因此，对于激光焊接而言，加工后陶瓷的热机械性能并不是问题。然而，与玻璃不同的是，陶瓷对激光往往是半透明或不透明的。这种截然不同的光学性质造成了用激光焊接方法加工陶瓷和加工玻璃的最大不同之处。当超快激光聚焦在待焊接界面的微区时，将引起非线性多光子吸收过程，从而导致材料界面微区对激光的吸收和熔融。

因此，通过调节陶瓷的光学透明度，就能调节激光能量与材料耦合的相互作用，这正是超快激光焊接陶瓷的关键。

成果速递

近日，美国加州大学的J. E. Garay（通讯作者）等报导了超快激光焊接陶瓷的最新进展——Ultrafast laser welding of ceramics （Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aaw6699）。 将超快激光聚焦在待焊界面上，以保证在极小的激光-陶瓷相互作用体积内激发非线性光学吸收过程，引起局域的熔融而不是烧蚀。超快激光焊接陶瓷成功的关键在于待焊界面的线性/非线性光学性质，以及激光能量与陶瓷材料的耦合。用超快激光焊接的陶瓷具有高真空以及与扩散焊接的金属-陶瓷复合材料相近的剪切强度。激光焊接能在恶劣的工作环境下进行，也能用于集成可见-射频透明度的光电及电子元件。

该工作以“Ultrafast laser welding of ceramics”为标题于2019年8月23日在线发表于国际顶刊Science上。

图一、超快激光焊接陶瓷的途径

图二、调控氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）陶瓷的光学特性

图三、超快激光脉冲与陶瓷材料的相互作用

图四、YSZ陶瓷组件的超快激光焊接