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  • 發布時間:2023-10-23 13:38 原文鏈接: “‘痛點’是創新的起點……”

      近段時間,好消息紛至沓來。

      華東理工大學(以下簡稱華理)青年教師張震團隊的本科生以第一作者發表高質量論文,他們研制的“合金墨水”通過中試驗證并實現公斤級批量生產,團隊成員相繼被保送或直博北大,4名成員獲國家獎學金……

      實際上,圍繞“合金墨水”研制項目,該團隊已獲8項專利、6項軟件著作權。相關技術已成功應用于柔性混合電子封裝和柔性電路印刷生產,且測試企業反饋良好。團隊多次獲省部級及以上榮譽,獲國家獎學金、國家勵志獎學金、上海市獎學金等獎勵。在一連串榮譽的背后,是該科創團隊和“合金墨水”一起“快速成長”的故事。

      “合金墨水”為“痛點”而生

      “這種‘合金墨水’實質含有三種‘填料’,其中一種合金微球低溫熔融后能把另外兩種連起來,從而‘長’成柔性電路。”張震告訴《中國科學報》。

      這種以錫鉍合金微球作為金屬粘結劑的三元復合“墨水”可以通過瞬時液相擴散焊連接銅、錫微球,形成長程連續導電通路。它具有燒結溫度低、導電性能好、直寫印刷精度高等優點。在柔性印刷電路板(FPCB)的直寫生產、柔性混合電子焊接封裝、柔性傳感器等電子元件的印刷生產方面具有廣闊的應用前景。

      2019年,博士畢業的張震入職華理,開始指導學生參加“大創”。經過細致調研分析,團隊認為隨著人工智能、5G、物聯網等領域的快速發展,可彎曲的柔性可穿戴電子產品會成為消費電子行業的發展方向。

      柔性電路制備是柔性可穿戴電子產品發展的關鍵,傳統制備柔性電路的方式是“減材制造”,即通過刻蝕柔性覆銅板來制備電路。該技術前后要經過10余道工序,不僅工期長,而且原料利用率小于10%,污染、浪費都很嚴重。

      “我一直聚焦于柔性電子增材制造——通過印刷的方式實現不同場景中的電路制備。學生也來自光電信息科學與工程專業,對光電材料比較熟悉。”張震補充說,“而且,和傳統的減材制造相比,增材制造更綠色、高效,是柔性電路印制的發展方向。”

      在我國實現“雙碳”目標的背景下,增材制造顯然更具潛力,但增材制造自身卻存在“痛點”。柔性電路板通常是高分子基材,其耐溫只有一兩百度,如果 “電子墨水”固化溫度過高會“燙壞”基材,而傳統的“電子墨水”還存在導電性能欠佳、與基材結合力弱等缺陷,不能滿足工業應用的要求。而且,很多“電子墨水”以銀為主材,生產成本昂貴。

      “痛點也是創新的起點。”張震解釋說,“這個領域確實存在一些亟待解決的難題,我們當時就想解決這個領域存在的一些問題。”

      回到本源解決問題

      選定方向后,張震帶領項目團隊從課題研究到備賽參賽,歷經立項、攻關、轉化、路演、融資等多個環節的磨礪。

      “走沒人走過的路,自然要不斷地‘吃苦’。”團隊成員之一、剛剛獲得國家獎學金的錢晟說,“回望整個技術研發及成果轉化過程,不僅工作量巨大,而且困難重重。”

      研發過程中,為了增加“合金墨水”金屬含量(提高導電性能)與提高印刷性能,需要合成球形度高、表面光滑致密的錫鉍合金微球。為此,團隊制定了多套方案,嘗試了高溫熔融、高速剪切、電沉積等技術路線。

      實驗進行了兩三個月,仍無法獲得滿意的合金微球形貌,隊員們有些泄氣了。

      “合金微球沒有滿意的形貌會影響配成漿料的黏度,導致無法印刷或導電通路的構筑。”張震說,“我不能看著他們一直在原地打轉。”

      張震召集團隊成員一起討論問題。經過仔細分析,他認為應該回到問題的本源——晶體形成的基本過程去找答案,從機理上搞清楚金屬晶核如何形成,金屬微球如何圍繞晶核“生長”的過程。

      沿著這一思路,團隊制定了讓錫、鉍兩種金屬一起“長”的方案。讓兩種金屬在“生長”時相互“干擾”,形成一種無定型的“納米種子”。“納米種子”在較低溫度下熔融,進而通過控溫熟化,實現高球形度合金微球尺寸的靈活調控。

      很快,以合金微球作為關鍵填料的“合金墨水”在導電和印刷性能方面都得到大幅度提升。思路的轉換不僅圓滿解決了困擾團隊很久的技術難題,還為他們帶來了兩篇高質量論文。項目期間,團隊先后獲第十八屆“挑戰杯”上海市大學生課外學術科技作品競賽特等獎、第十五屆全國大學生創新創業年會“我最喜愛的項目”等10余項省部級及以上榮譽。10人次獲國家獎學金、國家勵志獎學金、上海市獎學金。

      和課題“待”足1千小時

      從指導學生參加“大創”到參與多種學科競賽,再到推動研究成果轉移轉化,張震最大的感受是實驗室成果到真正的產品間還有很遠距離。

      開發“合金墨水”技術之初,張震最看重的是如何將合金體系的固化溫度降下來。隨著舊問題逐步解決,新問題又會“冒”出來,在經歷一次次優化迭代后,“合金墨水”逐步在低溫固化、導電性能、打印精度、耗材成本和工藝便利性方面體現出綜合優勢來。

      在華理科技園的推動下,“合金墨水”順利通過中試驗證。樣品也被送到上海理凱材料科技有限公司、廈門銀方新材料科技有限公司等企業測試。目前,該技術已成功應用于柔性混合電子封裝和柔性電路印刷生產,且測試企業反饋良好。

      “華理以科技園方式推動學校的科研成果轉化、支持學生創業。也會為創業的教師或學生提供場地租金優惠等條件,提供公司注冊、代理記賬、申請貸款等方面服務。”張震說,“在基礎研究中,學校良好的學術氛圍和科研條件加速了我們攻克技術難題。”

      談及該項目的成功,張震認為,課堂授課的方式師生間有效互動受限,以老師對學生的“單方面輸出”為主。而這種以具體項目為依托的實踐式、課題式教育對學生成長很重要。

      張震強調團隊成員要和課題“待的久”,不管是討論、查文獻還是做實驗,至少要和課題“待”足1千小時。

      “張老師常說,只有和課題‘待’得時間夠久,才能將問題思考得更加深入,提出獨到的解決思路,兩年多的全心投入讓我更加深刻領悟到課題本質和專業學習的方法。”該團隊成員之一、剛剛獲得保研北大資格的范世昌說。

      該團隊成員之一、已直博北大的唐榿澤認為,取得這樣成績歸功于兩點,一是團隊的密切合作,“一天一總結、兩天一討論”成為團隊的日常;二是導師的悉心

      指導和陪伴,保障了團隊高效運轉。

      在“雙創”過程中,指導老師和學生待在一起的時間很久,從課題到生活,師生之間也會有深入的互動。

      “粗略估算,幾年來我和學生待在一起的時間遠超1千小時。這個過程中,其實老師也是受益者,能從學生身上發現很多閃光點,學到很多東西。同時,老師的科研態度和精神也會對學生產生積極影響。”張震補充說,“此外,實驗室的研究往往只關注某項關鍵指標,但真正成為產品就要綜合考慮各方面的因素,并非解決一兩個技術問題就完事了,要考慮它是否符合市場需要,性能是否有優勢,成本是否有競爭力等。只有開發者能通盤考慮多方面問題,才能夠更好地推動成果轉化,服務社會經濟發展。”

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