Ученые РХТУ им. Менделеева разработали новые подходы к сверхпрочной прецизионной лазерной сварке материалов

В связи с устойчивой тенденцией к миниатюризации оптических, аналитических и электронно-цифровых устройств одним из важных и перспективных направлений является применение фемтосекундных лазеров для соединения разнородных по свойствам деталей при производстве подобных устройств.

Такой инновационный метод сварки был разработан на кафедре стекла и ситаллов РХТУ им. Менделеева. Суть процесса заключается в фокусировке лазерного излучения в область микронного размера на границе двух соединяемых элементов. Происходит локальный разогрев материалов и их взаимная диффузия, обеспечивающая прочное соединение деталей, в том числе из разных материалов. Метод можно применять для деталей самого малого размера, добиваясь очень точного и прочного соединения. Технологии прочного и надежного соединения прозрачных стекол и кристаллов друг с другом, а также с металлами представляют большой интерес при создании компонентов аэрокосмической техники, волоконных устройств, лазерных систем высокой мощности и устройств, работающих в высокотемпературных или химически агрессивных условиях.

«В рамках исследования нам удалось продемонстрировать прочное соединение таких разнородных материалов, как кварцевое стекло и сплав железа и никеля, фосфатное стекло и магниевоалюмосиликатный ситалл, а также соединение двух кристаллов иттриево-алюминиевого граната. Несмотря на то, что коэффициенты теплового расширения отдельных компонентов отличались в сотни раз, была достигнута крайне высокая прочность соединения, а анализ химического состава сварных швов позволил обнаружить отчетливые признаки взаимной диффузии материалов, которая, в свою очередь, и позволяет обеспечить формирование такого прочного соединения», ― рассказал Владимир Сигаев, заведующий кафедрой химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д.И. Менделеева.

Главными разработчиками данного направления являются кандидаты химических наук, доценты кафедры стекла и ситаллов Сергей Федотов и Татьяна Липатьева.

Классические способы газонепроницаемого прочного соединения деталей и изделий предполагают использование так называемых стеклоприпоев, стеклоцементов и стеклокомпозиций. Все эти материалы до недавнего времени оставались в центре внимания из-за чрезвычайно широкого применения в вакуумной электронике. Однако помимо тенденции к миниатюризации производства, происходит постоянное повышение требований к чистоте используемых материалов. Ввиду этого часто бывает необходимо напрямую соединять друг с другом детали крайне малого размера со значительно отличающимися температурными параметрами, важными для сохранения устойчивости их соединения. В таких условиях применение ультракоротких лазерных импульсов становится чрезвычайно полезным, а иногда и единственным способом соединения элементов.

На кафедре химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д.И. Менделеева уже несколько лет в рамках проектов президентских грантов и грантов РНФ ведется разработка технологии фемтосекундной лазерной сварки. Это направление исследований актуально в общемировом масштабе: разработкой аналогичных методик занимаются ведущие научные группы из Германии, Великобритании, Японии, США и Китая. Получение бесклеевого прочного соединения кристаллов с другими кристаллами, стеклокристаллическими материалами (ситаллами), стеклами и металлами позволит добиться стабильного пассивного охлаждения лазеров, реализовать технологию для более надежного импульсного излучения лазеров, а также расширить область возможного применения сенсорных устройств на основе стекол и стеклянных волокон.

Первые лазеры появились более семидесяти лет назад, и сегодня они применяются практически во всех сферах жизни – от медицины до фотоники: это и считыватели штрих-кодов, и лазерные принтеры, дальномеры и гироскопы. Лазерная техника постоянно развивается, а в течение последних двух десятилетий все более широкое применение получают лазеры ультракоротких импульсов, длительность излучения которых выражается в фемтосекундах. Одна фемтосекунда составляет всего одну миллионную миллиардной доли обычной секунды (10-15 с). Особые свойства таких ультракоротких импульсов позволяют локально изменять структуру и свойства материалов путем воздействия не только на поверхность изделия, но и в объеме его внутренней структуры, приводя тем самым к возникновению новых свойств, не свойственных исходному материалу.