激光熔接陶瓷和聚合物

1、    激光熔接陶瓷和聚合物一种新颖的熔接工艺，由德国弗劳恩霍夫材料和光束技术研究所（FraunhoferInstituteforMaterialandBeamTechnology）研发，并得到弗劳恩霍夫陶瓷技术和系统研究所（FraunhoferInstituteforCeramicTechnologiesandSystems）的协助，旨在改善微型系统工程在生物化学及化学分析领域的制造过程。在此，我们着重介绍运用激光技术直接熔接聚合物和陶瓷。此研发项目旨在开发出一种便宜的、多功能传感器系统，通过整合基于低温共烧陶瓷（LTCC  

2、60;     一种新颖的熔接工艺，由德国弗劳恩霍夫材料和光束技术研究所（Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology）研发，并得到弗劳恩霍夫陶瓷技术和系统研究所（Fraunhofer Institute for CeramicTechnologies and Systems）的协助，旨在改善微型系统工程在生物化学及化学分析领域的制造过程。在此，我们着重介绍运用激光技术直接熔接聚合物和陶瓷。此研发项目旨在开发出一种便宜的、多功能传感器系统，通过整合基于低温共烧陶瓷（LTCC）的传感器和利用低成

3、本聚合物微射流的致动技术。通过激光技术，不同材质的各种物体被强力、持久地结合在一起。激光技术还有助于低温共烧陶瓷和聚合物的微图像化及表面功能化。                           低温共烧陶瓷技术          

4、60;     陶瓷的多层LTCC技术是被广泛认可的制造微电子、传感器（如压力传感器、pH值检测、导电性及电阻测量）和执行机构（如压电致动器）的生产技术。此项技术能制造三维的、大功率的电子电路，可被用于汽车和电信行业。                未烧结材料中的柔性箔片是LTCC技术的基础。这些单个箔片能通过机械加工或激光烧蚀生成几何图形。例如每个单箔表面上的电器元件能通过丝网印刷生成。接下来，预制箔片在

5、900的温度下被叠放、压平、烧结。低温共烧陶瓷技术的一个缺点就是不够透明，导致很难用光学手段进行流程监控。         药学和生物学界的科学家正利用传感系统尝试光学监控加工流程。通过安装透明的聚合物窗口，陶瓷感应系统将能通过光学监测内部加工过程。复杂的微流体系统通常都不是通过LTCC技术制造的。材料和制造技术使这种陶瓷元器件比同等级的聚合物元器件得到更广泛的应用。            

6、60;              尖端的技术                工业制造通常采用不同的连接技术来接合聚合物和陶瓷部件，比如，粘接或机械连接技术。在工业生产中常常会用到粘合剂，来粘合不同的物体，最后能对缝合口起到很好的密合作用。这项技术的缺点之一就是它额外采用了化学物质用作粘合材料，对最终系统的功能带来了不必

7、要的影响，比如生物医学反应。使用单芯片实验系统或生物医学系统的科学家对利用光学方式从外部监控内部状况很感兴趣，他们通常会用粘合剂在陶瓷体上安装一个透明窗口，以便观察内部情况。长期来看，许多这样的粘合接口不够稳定和牢固，经常会发生窗体剥落或泄漏的情况。                机械连接一般用到螺丝钉、夹钳或类似的工具，为连接陶瓷和聚合物提供了另一种选择。在这种情况下，像孔或卡口之类的地方需要同时考虑两个被连接部件，增加了工作量。此外还需要配备

8、密封垫圈，用来完成聚合物和陶瓷部件之间不漏液、不漏气的无缝装配。               激光焊接是另一种被业内认可的聚合物部件焊接工艺，需要熔接的两部分由相似的热塑性聚合物组成。激光束能量穿越首个熔接部件后被第二个吸收，加之外在的压力，能让两个部件紧紧连在一起，形成有力的接点。被吸收的激光能量使接触区域内的部件熔化并结合。在连接区域固化之后，表现出和基底材料同样的属性。      

9、             新颖的熔接技术                由德国弗劳恩霍夫材料和光束技术研究所开发的新技术，能直接、牢固的焊接陶瓷和聚合物。乍看起来，直接熔接两种截然不同熔点的物体似乎是很困难的。普通的热塑性聚合物熔点在250以下，热分解的话需要超过400的高温。相比之下，陶瓷的熔点却在1000 以上。这两种材料大

10、相径庭的受热及物理表现对这种熔接技术构成了挑战。 图1、新熔接工艺的原理                 这种新颖的熔接技术的基本理念（见图1），就是通过部分熔化聚合物，将其推入坚固的陶瓷材料表面中孔洞和凹凸不平的地方。熔接过程分为两个步骤：表面改性，通过激光辐射进行热连接。             

11、;   在加工的第一步骤中，陶瓷物体的表面是有图案的，例如，通过激光烧蚀形成两个物体的密实的复合物。在接下来的热加工过程中，激光束在连接范围内熔化掉薄薄的一层聚合物表面。激光属从透明的聚合物部分穿过，被陶瓷部分吸收，促成对陶瓷表面进行有选择的熔化。熔接点之间的热传导使聚合物持续升温，能通过外部压力，使聚合物熔化的部分流入到陶瓷的表面结构（见图2）。等待温度降低，凝固之后，两个物体紧紧地融合在一起。完成这个熔接的关键两点：通过机械锚定使聚合物连接到陶瓷表面微结构中，以及接触物体之间的粘连。      图2、连接机理（机械固定和黏合）的图解               最新的研究工作调查并优化了不同的加工参数对热熔接过程的影响，这些参数包括激光功率、加工速度、连接压力、连接区温度等。为了有效地监测和控制结合温度，在系统中安装了高温测量仪