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虽然物资极度匮乏,但腊月二十九的北京城,年味已经弥漫在大街小巷。

不过对于实践基地的师生们而言,吸引他们的并非窗外的鞭炮与炊烟,而是车间里那块“掐丝珐琅”陶瓷电路板。

希望之火已经点燃,新的挑战又摆在眼前。

清晨的车间里,邹师傅撬开炉盖,用铁棍捅了个火心,然后又拿起个大铁钩猛烈的掏着炉灰。

随着一阵阵煤灰飞扬,一股蓝色有火苗从火心里蹿了起来。

尽管寒气未散,但大家讨论的热度却已经足以融化坚冰。

那块静静躺在工作台上的陶瓷电路板,既是里程碑,也像一面镜子,映照出手工制作的局限。

“你这‘掐丝珐琅’的思路确实是妙手回春,解决了强电环境下电路集成的大问题。”赵老师拿着那块电路板,语气欣慰中带着一丝凝重,“但大家也看到了,这手工掐丝、点釉、烧结,费时费力,一块巴掌大的板子就耗费了我们多少心血?若是想在我们那庞大的自动化系统里全面推广应用,尤其是未来需要大量同类模块时,这种效率……”

他摇了摇头,但意思不言而喻。

这话如同投入平静水面的一颗石子,瞬间激起了层层涟漪。

“赵老师说得对啊!”一位电机系的师兄接口道。

他指着旁边堆积如山的继电器和缠绕的飞线:“咱们最终是要取代那些‘乱麻’的。如果替代品本身制造起来就跟绣花一样精细缓慢,那意义就大打折扣了。工业化,讲究的就是个规模、效率和一致性。”

吴国华思索道:“确实,手工制作难以保证每块板子的铜线粗细、釉层厚度完全一致,长期运行的可靠性可能会因此打折扣。我们必须找到一种能够……嗯,能够‘批量生产’这种陶瓷电路板的方法。”

“批量生产?”汪传志挠了挠头,“这玩意儿又是陶瓷又是铜线的,还能像轧钢板一样‘轧’出来不成?”

他这本是句无心之语,却瞬间点亮了某些思路。

“等等!‘轧’出来?”钱师姐眼睛一亮,快步走到工作台前,用手指轻轻敲击着陶瓷基板,“传统的陶瓷成型,无非是注浆、干压、等静压。但我们这个需要内在的导电电路……或许,我们真的可以换个思路,不是在后期的陶瓷板上‘添加’电路,而是在成型之初,就把‘电路’做进去!”

一位来自材料系的师兄立刻受到了启发:“钱师姐的意思是……像‘打香’那样?把陶瓷粉末和铜粉按照我们设计的电路分布,混合在一起,然后用模具压制成型,最后一次性烧结成既绝缘又导电的整体?”

这个想法极具颠覆性,立刻引起了所有人的兴趣。

“粉末压制烧结?”李师兄沉吟道,“思路是好的,但难点很多。首先,铜的熔点和陶瓷的烧结温度要匹配,否则不是铜熔了流失,就是陶瓷没烧结实。其次,如何保证铜粉在压制过程中能形成连续、规整的导电通路,而不是分散的颗粒?还有,升温曲线、防止氧化……”

提到防止氧化和精确控温,另一位师兄提出了解决方案:“氧化问题可以用通入保护气氛,比如氮气来解决。至于控温,我们可以自己做一个!用电阻丝绕制一个管式炉或者箱式炉,配合调压器和热电偶,温度曲线应该比咱们现有的窑炉好控制得多!”

“自制电炉?这个可行!”王卫国点头表示支持,“材料也好找。”

然而,更大的难题接踵而至。

另一位师姐指出了关键:“就算我们有了可控气氛的电炉,那超细的、粒径均匀的铜粉从哪里来?普通的铜屑、铜末颗粒太粗,压制后无法形成致密的导电体,电阻会很大,甚至根本不导通。”

这时,王玉书师傅开了口:“粉末细还不简单?咱们自己磨!找个厚实点的铁桶,里面放上钢珠和要磨的铜料,架起来让它转!这就是个‘球磨机’嘛!无非是咱们要求磨得更细些,转它个三天三夜,还怕磨不细?”

王师傅这“土法上马”的提议,带着一股朴素的工业智慧,让众人眼前一亮。

但立刻有人提出了质疑:“球磨时间长,耗电量大且不说,磨出来的粉末如何收集?那么细的铜粉,暴露在空气中极易氧化,一旦氧化,导电性就大打折扣了。”

争论的焦点又回到粉末的制备和处理上。

就在这时,精仪系的保师兄提出了一个更为“化学”的思路:“既然得到超细铜粉这么麻烦,我们能不能换个思路?不直接用铜粉,而是先在陶瓷基板上‘长’出铜电路?”

“长出来?”众人好奇地望向他。

“对!”保师兄越说越兴奋,“我们可以先烧制出带有预设电路凹槽的陶瓷基板。然后,利用化学镀铜的方法,在那些凹槽里,通过化学反应还原出铜单质,沉积填充,形成电路!”

“化学镀铜?”一位有化工背景的程老师若有所思,“我好像在一些外文资料上看到过类似的概念。但难点在于,陶瓷表面是惰性的,不具备‘自催化’能力,无法引发铜离子的还原沉积。”

保师兄显然有所准备:“我们可以先对陶瓷基板进行‘活化’处理!比如,先用氯化亚锡溶液浸泡,使陶瓷表面吸附一层锡离子,然后再用氯化钯溶液处理,钯离子会被锡离子还原成钯原子,牢牢吸附在陶瓷表面。这些钯原子就是后续化学镀铜的催化中心!”

他详细解释道:“有了催化中心,再把基板放入含有铜离子,比如硫酸铜和还原剂,比如甲醛的镀液中,在合适的温度和ph值下,铜离子就会在催化点上被还原成铜原子,逐渐沉积长大,最终填满整个凹槽!”

这个方案听起来非常“高大上”,仿佛一下子从手工作坊跃升到了精密化学的层面。

然而,程老师却道:“这个思路理论上可行,但实际操作问题很多。首先,氯化亚锡、氯化钯这些药品昂贵且不易获取。其次,甲醛作为还原剂,有毒,操作需极度小心,车间环境也不适合。再者,化学镀铜的沉积速度通常很慢,要填满凹槽需要很长时间。最后,镀液配方复杂,温度、浓度、ph值稍有波动,就可能沉积不上,或者沉积层疏松、粗糙,导电性能差。工艺稳定性是个大问题。”

“而且,”钱师姐补充道,“就算沉积成功了,后续如何清洗、如何防止残留化学品腐蚀,都是麻烦事。”

就在化学法似乎陷入僵局时,提出“打香”思路的那位材料系师兄再次发言。

“沉积慢……”他喃喃道,忽然眼睛一亮,“既然化学法核心是得到铜,那我们不如把思路再放大点?干脆建一个大点的化学沉淀池!不是沉积在基板上,而是直接在溶液里通过氧化还原反应,把铜离子变成超细、超纯的铜粉!这样得到的粉末,绝对够细!够纯!然后再用这种超细铜粉去做‘打香’胚体,或者干脆用别的办法成型!”

这个“一步到位”制取超细铜粉的想法,听起来颇具诱惑力。

“想法很大胆,”程老师沉吟道,“但实现起来,困难重重。首先,需要大量的酸来溶解铜原料,得到铜盐溶液。然后需要选择合适的还原剂,控制反应温度、浓度、ph值、搅拌速度……任何一个参数的微小波动,都可能导致粉末粒度、形貌的巨大差异,甚至直接变成粒状沉淀或者根本无法还原。这比镀液控制更难!而且,大量使用酸和还原剂,成本高,污染大,废液处理也是问题。”

“还有,”李师兄补充道,“就算得到了超细铜粉,如何过滤、洗涤、干燥?粉末越细,越容易氧化,也越容易板结团聚,前功尽弃。”

讨论似乎陷入了僵局,各种方法都有其闪光点,但又都伴随着难以逾越的技术障碍或成本瓶颈。

空气中弥漫着一种焦灼的思虑。

“咳,”青工张涛,清了清嗓子,有些犹豫地开口,“各位老师,同学,我有个想法,不知道对不对,咱们绕来绕去,又是磨粉,又是烧炉子,又是泡药水,是不是把事情想复杂了?”

他指了指车间外面:“咱们轧钢厂是干什么的?咱们最拿手的就是用轧机,把钢锭、钢坯轧成各种形状的钢材啊!既然这个电路,就是一条条样式不同的铜线条,咱们能不能直接开个模,把铜‘轧’成电路?”

“轧制电路?!”这个想法过于石破天惊,以至于现场出现了几秒钟的寂静。

“哈哈,张大哥,你这想法够野!”钱师姐最先反应过来,笑着摇头,“但是不行啊。咱们厂的轧机,那是为钢铁准备的,力大势沉,一轧下去,铜片直接压成铜箔了,而且精度根本控制不了。电路要求的是微米级别的精度和复杂的图形,轧机干不了这精细活。”

“就是,轧机威力太大,是干粗活的。”有人附和。

张涛却坚持道:“那咱们能不能试制一个小号的、功率小、精度高的‘轧机’,专门用来轧这种精细电路?”

“专门造一台精密轧机?”邹章元师傅摇头,“要轧出复杂精细的电路图形,对轧辊模具的要求就是噩梦,雕刻成本极高,磨损也快。”

轧制的思路似乎走入了死胡同。

然而,钱师姐却盯着地面,手指无意识地在空中划动着,仿佛在勾勒什么。

突然,她猛地抬起头,豁然开朗。

“等等!张大哥的话提醒了我!”钱师姐声音激动,“我们不一定非要轧制纯铜电路!我们之前纠结于铜的纯度和氧化,是因为我们总想着要得到高纯度的导电体。但如果,我们接受一定程度的‘不纯’呢?”

她快步走到黑板前,拿起粉笔,一边画一边快速说道:“我们把几个思路融合一下!刚才有人提到氧化铜,但是大家可能没有注意到,氧化铜脆,容易球磨成粉。然后,我们不追求在烧结前得到纯铜,而是把氧化铜粉末和碳粉按一定比例混合!碳是还原剂!”

她画了一个简单的示意图:“然后,我们采用‘打香’的思路,但不是用陶瓷粉和铜粉混合,而是用陶瓷粉,以及氧化铜与碳的混合粉,把它们一次成型!”

她的笔在黑板上重重一顿:“我们借鉴轧机的思路,但不是轧铜,而是轧‘胚体’!我们设计制造一台小型的、对辊压力可精确控制的‘轧胚机’!它的入口,投入的是均匀混合的陶瓷粉末、以及氧化铜与碳的混合粉末流;它的出口,利用精密的模具对辊,直接‘轧’出已经复合好的、带有预设电路图形的陶瓷电路板胚体!胚体内部,电路部分就是氧化铜和碳粉的混合物!”

她越说越快,思路如泉涌:“然后,我们将这个复合胚体,送入我们自制的气氛保护电炉中进行烧结!在高温下,碳会夺取氧化铜中的氧,生成二氧化碳气体跑掉,同时将氧化铜还原成铜单质!而这个还原过程,就发生在陶瓷基体内部预设的电路凹槽或者说电路体内!由于被陶瓷基体包裹、限制,还原出来的铜无法自由流动,只能原地形成致密的、与陶瓷基体紧密结合的铜电路!”

“妙啊!!”程老师忍不住喝彩,“这叫……‘原位还原烧结’!一次轧制成型,一次烧结同时完成陶瓷基板烧结和电路金属化!把最麻烦的粉末制备、精密填充和高温防氧化问题,通过材料和工艺设计,巧妙地整合在一个步骤里解决了!”

“太好了!”吴国华兴奋地接话,“而且,既然是一次轧制成型,理论上我们完全可以设计模具,同时轧制正反两面的电路,甚至实现简单的层间互连!”

“对对对!轧胚机!这个名字好!”汪传志挥舞着拳头,“咱们就造它一台!”

牛师傅哈哈大笑:“绕了半天,还是回到咱们轧钢厂的老本行上来了!不过这次轧的不是钢,是‘泥巴’!这机器结构相对简单,压力要求远低于钢铁轧机,咱们自己绝对能搞出来!”

“工艺路线算是初步明确了!”钱师姐总结道,一脸振奋,“接下来,咱们分头行动,攻克几个关键设备和技术点:第一,改造或建造一台可用的球磨机,用于制备氧化铜粉和陶瓷粉。第二,设计建造那台核心的‘轧胚机’,包括精密模具对辊的设计加工。第三,搭建一台可精确控温、能通保护气氛的‘土电炉’。第四,也是前提,我们需要一个专门的氧化炉,用来把铜原料氧化成易于研磨的氧化铜。”

“任务很重,时间很紧。”赵老师沉声道,“但我们没有退路。这套‘轧胚-原位还原烧结’方案,是目前看来最具工业化潜力的方向。”

“干吧!”李师兄挽起袖子,“趁着过年这几天,厂里清净,咱们正好甩开膀子大干一场!先把氧化炉和球磨机弄出来!”

说着撸起袖子就要去干活,其他同学也磨拳擦掌,迫不及待。

“没错!”王卫国环视众人,目光坚定,“思路越辩越明,方法越讨论越清晰。我们现在有了一个值得全力投入的新方向。这不仅仅是解决一块电路板的生产问题,这是在探索一条属于我们自己的、土洋结合、低成本高效率的工业自动化基础部件制造之路!行动起来!”

没有更多的动员,联合课题组的成员们自动分成了几个小组。

有人围着工人师傅,开始讨论球磨机的具体结构和所需材料;有人跟着钱师姐和吴国华,开始绘制轧胚机的原理草图;有人则与李师兄一起,核算电炉的功率、耐火材料以及气氛供应方案。

攻坚克难的磅礴动力一下子就燃烧起来,车间里,敲打声、讨论声、绘图声再次响起。

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