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

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 ensemble. Il fonctionne dans des conditions ambiantes et utilise moins de 50 watts de puissance laser, ce qui le rend plus pratique que les méthodes de soudage céramique actuelles 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 exposer 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 en collaboration avec le professeur et titulaire de la chaire de génie mécanique UC Riverside Guillermo Aguilar.

Les matériaux céramiques présentent un grand intérêt car ils sont biocompatibles, extrêmement dur et incassable, ce qui les rend idéaux pour les implants biomédicaux et les boîtiers de protection pour l'électronique. Cependant, les procédés actuels de soudage céramique ne sont pas propices à la réalisation de tels dispositifs.

"Pour le moment, il n'y a aucun moyen d'enfermer ou de sceller des composants électroniques à l'intérieur de la céramique car il faudrait mettre l'ensemble dans un four, qui finirait par brûler l'électronique, " dit Garay.

Garay, La solution d'Aguilar et de ses collègues consistait à viser une série d'impulsions laser courtes le long de l'interface entre deux pièces en céramique afin que la chaleur ne s'accumule qu'à l'interface et provoque une fusion localisée. Ils appellent leur méthode le soudage laser pulsé ultrarapide.

Pour que ça marche, les chercheurs ont dû optimiser deux aspects :les paramètres 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) à température ambiante.

"Le point idéal des impulsions ultrarapides était de deux picosecondes à un taux de répétition élevé d'un mégahertz, avec un nombre total modéré d'impulsions. Cela a maximisé le diamètre de fusion, ablation matérielle minimisée, et un refroidissement chronométré juste pour la meilleure soudure possible, " a déclaré Aguilar.

"En concentrant l'énergie là où nous le voulons, on évite de créer des gradients de température dans toute la céramique, afin que nous puissions enrober des matériaux sensibles à la température sans les endommager, " dit Garay.

Comme 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 maintenir le vide.

« Les tests sous vide que nous avons utilisés sur nos soudures sont les mêmes que ceux utilisés dans l'industrie pour valider les scellements sur les 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 Diego.

Jusqu'à présent, le procédé n'a été utilisé que pour souder de petites pièces en céramique de moins de deux centimètres. Les plans futurs impliqueront l'optimisation de la méthode pour les plus grandes échelles, ainsi que pour différents types de matériaux et de géométries.