脉冲激光助力玻璃“嫁接”在金属上

玻璃是我们日常生活中经常接触和使用的物品，从玻璃杯这类的小型生活用品到玻璃幕墙这一类的建筑装饰材料，从手机屏幕这样的小型科技产品到精密加工的高科技仪器，玻璃为世界文明的发展做出了极大的贡献。玻璃种类丰富，能够满足不同场合的不同需求。通过调整制造玻璃的材质与工艺，厂家可以让玻璃材料的性质发生极大的变化，从而使其更加稳定耐用。

玻璃与金属的封接方式有两种，匹配封接和压缩封接。匹配封接是选用膨胀系数比较接近的玻璃和金属(在常温到玻璃软化温度范围内)，在高温封接后的逐渐冷却过程中使玻璃和金属收缩保持一致，从而减少由于玻璃与金属收缩差而产生的内应力。压缩封接是指选用的金属材料的膨胀系数比玻璃膨胀系数大，在封接冷却时由于金属收缩比玻璃收缩大，从而使金属对玻璃产生一个压应力（利用玻璃承受抗压能力远大于抗拉能力的特性），以此达到封接目的。目前的压缩封接工艺还有待完善。封接所选取的材料和控制参数都有待进一步探讨，而且采用压缩封接存在电性能较差的致命弱点。

传统上，焊接仅限于具有相似特性的材料，因此即使将铝和钢焊接在一起也很难。玻璃与金属焊接过程是一个复杂的物理化学反应过程。必须根据整个焊接中玻璃与金属材料的氧化反应来确定烧结参数。除了要保证玻璃在固化过程中的膨胀系数与金属膨胀系数基本保持一致外，金属预氧化和玻璃液粘度变化，以及玻璃2次结晶及冷却都必须充分考虑到。目前涉及玻璃和金属的设备和产品通常由粘合剂粘在一起，粘合剂应用起来很麻烦，零件会逐渐松动或移动。释气也是一个问题，粘合剂中的有机化学物质逐渐释放出来可能导致产品寿命缩短。目前的技术无法很好地将金属和玻璃焊接在一起，因为玻璃和金属材料需要不同的温度来融化，并且它们由于响应热量而产生不同量级地膨胀。尽管有些方法可以让它们粘在一起，但是效果并不理想。

毫无疑问，这是一项很困难的工作，但是现在，Heriot-WattUniversity的科学家声称采用一种突破性方法，可以将玻璃和金属等材料焊接在一起。这里提到的技术就是超快激光脉冲（在几皮秒的范围内发射脉冲），能够将玻璃和金属焊接在一起将成为制造和设计灵活性的一大进步。玻璃和材料要焊接的部件紧密接触，激光通过光学材料聚焦，在玻璃和金属两种材料之间的界面处提供非常小且高强度的光点，在几微米的面积上就能实现兆瓦量级的峰值功率。这样高强度的脉冲激光会在材料内部形成一个像微小闪电球一样的微等离子体，周围环绕着高度密闭的熔化区域。在-50°C至90°C温度区间下的焊缝测试表明，焊缝在这一温度范围内保持完好，这意味着玻璃和金属的复合体足够坚固，可以应对极端条件。

这项新技术适用于光学材料，如石英、硼硅酸盐玻璃和蓝宝石，现在可焊接到铝、不锈钢和钛等金属上。目前该团队正在与专家合作开发激光加工原型系统，以期将该方法可以商业化用于制造业。