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“‘痛点’是创新的起点……”

时间: 2024-07-05 09:33:00 |   作者: SMT/PCB组装

  华东理工大学(以下简称华理)青年教师张震团队的本科生以第一作者发表高质量论文,他们研制的“合金墨水”通过中试验证并实现公斤级批量生产,团队成员相继被保送或直博北大,4名成员获国家奖学金……

  实际上,围绕“合金墨水”研制项目,该团队已获8项专利、6项软件著作权。相关技术已成功应用于柔性混合电子封装和柔性电路印刷生产,且测试企业反馈良好。团队多次获省部级及以上荣誉,获国家奖学金、国家励志奖学金、上海市奖学金等奖励。在一连串荣誉的背后,是该科创团队和“合金墨水”一起“快速成长”的故事。

  “这种‘合金墨水’实质含有三种‘填料’,其中一种合金微球低温熔融后能把另外两种连起来,从而‘长’成柔性电路。”张震告诉《中国科学报》。

  这种以锡铋合金微球作为金属粘结剂的三元复合“墨水”可以通过瞬时液相扩散焊连接铜、锡微球,形成长程连续导电通路。它具有烧结温度低、导电性能好、直写印刷精度高等优点。在柔性印刷电路板(FPCB)的直写生产、柔性混合电子焊接封装、柔性传感器等电子元件的印刷生产方面具有广阔的应用前景。

  2019年,博士毕业的张震入职华理,开始指导学生参加“大创”。经过细致调研分析,团队认为随着人工智能、5G、物联网等领域的快速发展,可弯曲的柔性可穿戴电子产品会成为消费电子行业的发展方向。

  柔性电路制备是柔性可穿戴电子产品发展的关键,传统制备柔性电路的方式是“减材制造”,即通过刻蚀柔性覆铜板来制备电路。该技术前后要经过10余道工序,不仅工期长,而且原料利用率小于10%,污染、浪费都很严重。

  “我一直聚焦于柔性电子增材制造——通过印刷的方式实现不同场景中的电路制备。学生也来自光电信息科学与工程专业,对光电材料比较熟悉。”张震补充说,“而且,和传统的减材制造相比,增材制造更绿色、高效,是柔性电路印制的发展方向。”

  在我国实现“双碳”目标的背景下,增材制造显然更具潜力,但增材制造自身却存在“痛点”。柔性电路板通常是高分子基材,其耐温只有一两百度,如果 “电子墨水”固化温度过高会“烫坏”基材,而传统的“电子墨水”还存在导电性能欠佳、与基材结合力弱等缺陷,不能满足工业应用的要求。而且,很多“电子墨水”以银为主材,生产成本昂贵。

  “痛点也是创新的起点。”张震解释说,“这个领域确实存在一些亟待解决的难题,我们当时就想解决这个领域存在的一些问题。”

  选定方向后,张震带领项目团队从课题研究到备赛参赛,历经立项、攻关、转化、路演、融资等多个环节的磨砺。

  “走没人走过的路,自然要不断地‘吃苦’。”团队成员之一、刚刚获得国家奖学金的钱晟说,“回望整个技术研发及成果转化过程,不仅工作量巨大,而且困难重重。”

  研发过程中,为了增加“合金墨水”金属含量(提高导电性能)与提高印刷性能,需要合成球形度高、表面光滑致密的锡铋合金微球。为此,团队制定了多套方案,尝试了高温熔融、高速剪切、电沉积等技术路线。

  “合金微球没有满意的形貌会影响配成浆料的黏度,导致无法印刷或导电通路的构筑。”张震说,“我不能看着他们一直在原地打转。”

  张震召集团队成员一起讨论问题。经过仔细分析,他认为应该回到问题的本源——晶体形成的基本过程去找答案,从机理上搞清楚金属晶核如何形成,金属微球如何围绕晶核“生长”的过程。

  沿着这一思路,团队制定了让锡、铋两种金属一起“长”的方案。让两种金属在“生长”时相互“干扰”,形成一种无定型的“纳米种子”。“纳米种子”在较低温度下熔融,进而通过控温熟化,实现高球形度合金微球尺寸的灵活调控。

  很快,以合金微球作为关键填料的“合金墨水”在导电和印刷性能方面都得到大幅度提升。思路的转换不仅圆满解决了困扰团队很久的技术难题,还为他们带来了两篇高质量论文。项目期间,团队先后获第十八届“挑战杯”上海市大学生课外学术科技作品竞赛特等奖、第十五届全国大学生创新创业年会“我最喜爱的项目”等10余项省部级及以上荣誉。10人次获国家奖学金、国家励志奖学金、上海市奖学金。

  从指导学生参加“大创”到参与多种学科竞赛,再到推动研究成果转移转化,张震最大的感受是实验室成果到真正的产品间还有很远距离。

  开发“合金墨水”技术之初,张震最看重的是如何将合金体系的固化温度降下来。随着旧问题逐步解决,新问题又会“冒”出来,在经历一次次优化迭代后,“合金墨水”逐步在低温固化、导电性能、打印精度、耗材成本和工艺便利性方面体现出综合优势来。

  在华理科技园的推动下,“合金墨水”顺利通过中试验证。样品也被送到上海理凯材料科技有限公司、厦门银方新材料科技有限公司等企业测试。目前,该技术已成功应用于柔性混合电子封装和柔性电路印刷生产,且测试企业反馈良好。

  “华理以科技园方式推动学校的科研成果转化、支持学生创业。也会为创业的教师或学生提供场地租金优惠等条件,提供公司注册、代理记账、申请贷款等方面服务。”张震说,“在基础研究中,学校良好的学术氛围和科研条件加速了我们攻克技术难题。”

  谈及该项目的成功,张震认为,课堂授课的方式师生间有效互动受限,以老师对学生的“单方面输出”为主。而这种以具体项目为依托的实践式、课题式教育对学生成长很重要。

  张震强调团队成员要和课题“待的久”,不管是讨论、查文献还是做实验,至少要和课题“待”足1千小时。

  “张老师常说,只有和课题‘待’得时间够久,才能将问题思考得更加深入,提出独到的解决思路,两年多的全心投入让我更加深刻领悟到课题本质和专业学习的方法。”该团队成员之一、刚刚获得保研北大资格的范世昌说。

  该团队成员之一、已直博北大的唐桤泽认为,取得这样成绩归功于两点,一是团队的密切合作,“一天一总结、两天一讨论”成为团队的日常;二是导师的悉心

  在“双创”过程中,指导老师和学生待在一起的时间很久,从课题到生活,师生之间也会有深入的互动。

  “粗略估算,几年来我和学生待在一起的时间远超1千小时。这个过程中,其实老师也是受益者,能从学生身上发现很多闪光点,学到很多东西。同时,老师的科研态度和精神也会对学生产生积极影响。”张震补充说,“此外,实验室的研究往往只关注某项关键指标,但真正成为产品就要综合考虑各方面的因素,并非解决一两个技术问题就完事了,要考虑它是否符合市场需要,性能是否有优势,成本是否有竞争力等。只有开发者能通盘考虑多方面问题,才能够更好地推动成果转化,服务社会经济发展。”