Souder des céramiques grâce à des impulsions laser

Des chercheurs de l’Université de Californie sont parvenus à souder des éléments de céramique grâce à des impulsions laser ciblées et ultra-rapides. Décrite dans un article publié dans Science le 23 août, la méthode permet de surmonter les difficultés liées à la résistance des céramiques aux hautes températures lorsqu'il s'agit de les assembler.

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Souder des céramiques grâce à des impulsions laser
Un couvercle en céramique transparente soudé par laser à un tube également en céramique.

Des assemblages de céramiques plus complexes et réalisés plus rapidement, voilà ce que promettent des chercheurs de l’Université de Californie dans un article publié dans la revue Science le 23 août. Ils ont mis au point une méthode de soudage des céramiques par laser pulsé ultrarapide qui dépasse les limites du procédé de soudage-diffusion utilisé aujourd'hui. L'énergie est envoyée précisément à l’interface de deux pièces en céramique dont les propriétés de transparence ont été ajustées par différents traitements. Situé dans le proche infrarouge - à une longueur d’onde de 1028 nm -, le laser d’une puissance inférieure à 50 W, envoyé sous forme d'impulsions de quelques picosecondes répétées à une fréquence de 1 MHz, permet de faire les faire fondre localement et de les souder.

Les chercheurs affirment dans leur article que leurs concepts de soudage pourraient être utiles pour produire des systèmes micro-mécaniques en céramique ou des appareils de type laboratoire sur puce. Mais aussi pour faire de l’électronique biocompatible, résistante aux températures ou à certains produits chimiques, ou encore pour encapsuler des appareils optoélectroniques.

Des céramiques optimisées

Concernant les céramiques utilisées, les chercheurs affirment avoir testé leur méthode à la fois avec de l'alumine (Al2O3) et de la zircone stabilisée à l'yttrine (YSZ). « La plupart des expériences ont été faites avec la YSZ mais nous avons constaté que le procédé fonctionnait avec les deux, affirme Javier E. Garay, l'un des auteurs de l'étude. Il s'agit de deux céramiques utilisées couramment dans l'industrie. Elles ont des applications dans l'électronique, la production d'énergie, les implants biomédicaux ou les matériaux résistants aux hautes températures. »

Pour maîtriser la propagation du laser dans le matériau, les chercheurs ont modifié les propriétés optiques de la céramique. Ils ont appliqué différents traitements pour ajuster deux facteurs : la dispersion et l'absorption de la lumière. « Pour réduire la dispersion, nous retirons les pores qui sont des défauts qui apparaissent communément dans la céramique, déclare M. Garay. Pour modifier l'absorption, nous régulons le nombre d' "atomes manquants" dans la structure. »

L’électronique épargnée

Aujourd’hui, souder deux pièces en céramique reste difficile. Notamment en raison de leur résistance aux hautes températures : une propriété qui leur confère un avantage pour bien des applications, mais qui s’avère être un inconvénient lorsqu’il s’agit de les lier ensemble. Les méthodes actuelles utilisent le soudage-diffusion à haute température : mis en contact sous pression, deux éléments se lient après une exposition relativement longue à des températures élevées dans un four. Cela nécessite souvent d’exposer l’assemblage complet aux hautes températures, y compris les composants électroniques à encapsuler, par exemple, qui n’y résistent pas forcément.

L’encapsulation hermétique de composants électroniques est justement l’un des deux concepts étudiés par les chercheurs : ils sont parvenus à souder un couvercle à l’extrémité d’un tube en céramique transparente. Le matériau laisse passer les signaux radiofréquences ou optiques d’un composant électronique situé à l’intérieur. Le second concept consiste à lier des éléments en céramique diffuse dont les géométries sont simples. Par exemple, deux anneaux.

Résistance et étanchéité

Les tests réalisés montrent que les soudures présentent une bonne tenue au vide : « Notre assemblage satisfait les spécifications et standards modernes pour encapsuler des composants électroniques militaires, spatiaux et bio-compatibles », précisent les chercheurs dans leur article. Et concernant la résistance au cisaillement, les meilleurs résultats obtenus dans l’étude sont « comparables aux valeurs obtenues dans le cas d’un soudage par diffusion de céramiques sur des métaux ».

A l'avenir, M. Garay précise qu'il reste à tester la technologie sur des pièces plus grandes ou sur d'autres céramiques. Celles utilisées pour générer de la lumière par exemple.

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