脈沖激光助力玻璃“嫁接”在金屬上

玻璃是我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常接觸和使用的物品，從玻璃杯這類的小型生活用品到玻璃幕墻這一類的建筑裝飾材料，從手機(jī)屏幕這樣的小型科技產(chǎn)品到精密加工的高科技儀器，玻璃為世界文明的發(fā)展做出了極大的貢獻(xiàn)。玻璃種類豐富，能夠滿足不同場(chǎng)合的不同需求。通過(guò)調(diào)整制造玻璃的材質(zhì)與工藝，廠家可以讓玻璃材料的性質(zhì)發(fā)生極大的變化，從而使其更加穩(wěn)定耐用。

玻璃與金屬的封接方式有兩種，匹配封接和壓縮封接。匹配封接是選用膨脹系數(shù)比較接近的玻璃和金屬(在常溫到玻璃軟化溫度范圍內(nèi))，在高溫封接后的逐漸冷卻過(guò)程中使玻璃和金屬收縮保持一致，從而減少由于玻璃與金屬收縮差而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。壓縮封接是指選用的金屬材料的膨脹系數(shù)比玻璃膨脹系數(shù)大，在封接冷卻時(shí)由于金屬收縮比玻璃收縮大，從而使金屬對(duì)玻璃產(chǎn)生一個(gè)壓應(yīng)力（利用玻璃承受抗壓能力遠(yuǎn)大于抗拉能力的特性），以此達(dá)到封接目的。目前的壓縮封接工藝還有待完善。封接所選取的材料和控制參數(shù)都有待進(jìn)一步探討，而且采用壓縮封接存在電性能較差的致命弱點(diǎn)。

傳統(tǒng)上，焊接僅限于具有相似特性的材料，因此即使將鋁和鋼焊接在一起也很難。玻璃與金屬焊接過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。必須根據(jù)整個(gè)焊接中玻璃與金屬材料的氧化反應(yīng)來(lái)確定燒結(jié)參數(shù)。除了要保證玻璃在固化過(guò)程中的膨脹系數(shù)與金屬膨脹系數(shù)基本保持一致外，金屬預(yù)氧化和玻璃液粘度變化，以及玻璃2次結(jié)晶及冷卻都必須充分考慮到。目前涉及玻璃和金屬的設(shè)備和產(chǎn)品通常由粘合劑粘在一起，粘合劑應(yīng)用起來(lái)很麻煩，零件會(huì)逐漸松動(dòng)或移動(dòng)。釋氣也是一個(gè)問(wèn)題，粘合劑中的有機(jī)化學(xué)物質(zhì)逐漸釋放出來(lái)可能導(dǎo)致產(chǎn)品壽命縮短。目前的技術(shù)無(wú)法很好地將金屬和玻璃焊接在一起，因?yàn)椴ＡШ徒饘俨牧闲枰煌臏囟葋?lái)融化，并且它們由于響應(yīng)熱量而產(chǎn)生不同量級(jí)地膨脹。盡管有些方法可以讓它們粘在一起，但是效果并不理想。

毫無(wú)疑問(wèn)，這是一項(xiàng)很困難的工作，但是現(xiàn)在，Heriot-WattUniversity的科學(xué)家聲稱采用一種突破性方法，可以將玻璃和金屬等材料焊接在一起。這里提到的技術(shù)就是超快激光脈沖（在幾皮秒的范圍內(nèi)發(fā)射脈沖），能夠?qū)⒉ＡШ徒饘俸附釉谝黄饘⒊蔀橹圃旌驮O(shè)計(jì)靈活性的一大進(jìn)步。玻璃和材料要焊接的部件緊密接觸，激光通過(guò)光學(xué)材料聚焦，在玻璃和金屬兩種材料之間的界面處提供非常小且高強(qiáng)度的光點(diǎn)，在幾微米的面積上就能實(shí)現(xiàn)兆瓦量級(jí)的峰值功率。這樣高強(qiáng)度的脈沖激光會(huì)在材料內(nèi)部形成一個(gè)像微小閃電球一樣的微等離子體，周圍環(huán)繞著高度密閉的熔化區(qū)域。在-50°C至90°C溫度區(qū)間下的焊縫測(cè)試表明，焊縫在這一溫度范圍內(nèi)保持完好，這意味著玻璃和金屬的復(fù)合體足夠堅(jiān)固，可以應(yīng)對(duì)極端條件。

這項(xiàng)新技術(shù)適用于光學(xué)材料，如石英、硼硅酸鹽玻璃和藍(lán)寶石，現(xiàn)在可焊接到鋁、不銹鋼和鈦等金屬上。目前該團(tuán)隊(duì)正在與專家合作開(kāi)發(fā)激光加工原型系統(tǒng)，以期將該方法可以商業(yè)化用于制造業(yè)。