Les chercheurs ont réussi à souder la céramique à température ambiante à l’aide d’impulsions laser ultra-rapides.

En théorie, les céramiques sont d’excellents matériaux pour enchâsser de l’électronique. Elles sont résistantes, isolent contre l’électricité, protègent contre la chaleur et, dans le cas d’implants dans le corps, elles sont biocompatibles. Le problème, c’est que la fusion des céramiques nécessite une chaleur élevée, qui détruirait les composants électroniques. Aujourd’hui, les chercheurs ont mis au point une nouvelle façon de souder les céramiques à température ambiante à l’aide d’impulsions laser ultra-rapides.

Pour les enfermer dans la forme voulue et les rendre robustes et solides, les objets en céramique sont d’abord cuits dans un four. C’est très bien dans bien des cas, mais ça ne fonctionne pas si bien s’ils sont faits pour du blindage d’électronique.

« Pour l’instant, il n’y a aucun moyen d’enfermer ou de sceller les composants électroniques à l’intérieur de la céramique parce qu’il faudrait mettre l’ensemble dans un four, ce qui finirait par brûler l’électronique « , explique Javier Garay, auteur principal de cette étude.

L’équipe, composée de scientifiques de l’UC San Diego et de l’UC Riverside, a donc trouvé une solution. La chaleur est toujours une nécessité pour joindre des morceaux de céramique, mais plutôt que de l’appliquer à l’objet entier, les chercheurs l’ont concentrée sur les coutures à l’aide d’un procédé qu’ils appellent le soudage laser pulsé ultra rapide.

« En concentrant l’énergie là où nous le voulons, nous évitons de créer des gradients de température dans toute la céramique, ce qui nous permet d’envelopper les matériaux sensibles à la température sans les endommager « , explique Javier Garay.

Des impulsions laser ultra-rapides similaires ont déjà été utilisées pour souder des matériaux qui ne s’engrènent normalement pas bien, comme les plastiques transparents ou le métal sur le verre.

Cette installation laser a été utilisée pour tester la transparence de la céramique.

Dans le cadre de ce projet, les chercheurs de l’UC ont modifié le laser et le matériau céramique pour trouver l’ensemble des paramètres qui fonctionnaient le mieux. La céramique devait être juste la bonne transparence, et l’équipe devait déterminer le bon temps d’exposition, ainsi que le nombre et la durée des impulsions laser, qui donnaient les meilleurs résultats.

« Le point faible des impulsions ultra-rapides était de deux picosecondes à la fréquence de répétition élevée d’un mégahertz, avec un nombre total modéré d’impulsions « , explique Guillermo Aguilar, co-auteur principal de l’étude. « Cela a maximisé le diamètre de la masse fondue, minimisé l’ablation du matériau, et le refroidissement au bon moment pour la meilleure soudure possible. »

Lors d’expériences, les chercheurs ont réussi à souder avec succès un bouchon cylindrique transparent à l’intérieur d’un tube de céramique. La résistance a ensuite été testée sous vide, à l’aide d’essais conformes aux normes de l’industrie, et on a constaté qu’elle était capable de maintenir un vide.

Jusqu’à présent, cette technique n’a été utilisée que sur de petites pièces en céramique de moins de 2 cm, mais l’équipe prévoit d’essayer de la mettre à l’échelle et d’expérimenter avec différents matériaux et formes.

https://ucsdnews.ucsd.edu/pressrelease/lasers-enable-engineers-to-weld-ceramics-no-furnace-required

https://science.sciencemag.org/content/365/6455/803