我的老師有絕活丨在燈絲上“跳舞” 他要讓昆蟲機(jī)器人從科幻“爬”進(jìn)現(xiàn)實(shí)
更新時間：2024/9/9 11:24:41 來源：大河網(wǎng)
時政要聞
大河網(wǎng)訊（記者 劉高雅）憑借一臺微束“電子槍”，讓電子在燈絲上“跳舞”，鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院材料學(xué)院教授曾凡光在“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生競賽中，指導(dǎo)學(xué)生摘得一等獎桂冠，目前這一技術(shù)與配套裝備在全球范圍也屬空白。
年輕時學(xué)習(xí)物理專業(yè)，卻帶著學(xué)生在材料學(xué)賽道上蹚出一條新路子。即將邁入花甲之年的曾凡光還有一個心愿，“把團(tuán)隊(duì)帶出來，讓微束電子槍實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用， 早日實(shí)現(xiàn)材料—器件—裝備全鏈條創(chuàng)新。”
這把槍究竟有啥大用途？
曾凡光口中的電子槍，并非一把“真槍”，而是以電子為“子彈”的電子發(fā)射槍。燈絲就是這把槍的“槍管”，電子從這里出發(fā)，便會隨電場和磁場的操控而“翩翩起舞”。那么，這把槍具體用在哪里？
“你知道昆蟲尺度級別的微型機(jī)器人嗎？它是由很多介觀尺度（10^-4～10^-6m）復(fù)雜金屬微零件組成的，‘微零件’是不是聽起來就很小，特別不容易制造？”曾凡光笑著問道。
據(jù)他透露，目前，我國在高端真空電子設(shè)備，如掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等燈絲材料和燈絲器件方面嚴(yán)重依賴進(jìn)口，存在潛在的卡脖子風(fēng)險。
怎樣才能制造出厘米級或陸地昆蟲級別的機(jī)器人，在諸如非結(jié)構(gòu)性或狹窄空間中進(jìn)行檢查、探測及災(zāi)后搜救？曾凡光說，精密金屬微結(jié)構(gòu)或微零件，是先決條件之一，特別是介于宏觀尺度和微觀尺度之間的介觀尺度（亞微米—亞毫米）微小金屬零件。
通過多年研究，曾凡光發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有的制造技術(shù)中，最有希望解決這一難題的技術(shù)，是采用高能量密度電子微束，對金屬微粉進(jìn)行圖形化熔融的電子微束3D打印技術(shù)，以微零件的結(jié)構(gòu)切片圖形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以高能量密度的電子微束對金屬微粉進(jìn)行逐層圖形化熔融，最終實(shí)現(xiàn)金屬復(fù)雜微零件的增材微制造。
“基于上述考慮，經(jīng)過反復(fù)論證，我們團(tuán)隊(duì)老師帶著學(xué)生在燈絲材料上尋求突破，再以關(guān)鍵材料創(chuàng)新促進(jìn)核心器件創(chuàng)新�！痹补庑老驳卣f，微束電子槍就這樣應(yīng)運(yùn)而生。
得獎后他看到學(xué)生眼含淚花
在第十八屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中，曾凡光和團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)學(xué)生獲得一等獎的作品正是《面向復(fù)雜金屬微零件增材微制造應(yīng)用的微束電子槍》。
大賽期間，有兩件事讓曾凡光記憶深刻。
現(xiàn)有的電子槍燈絲主要采用六硼化鑭和鎢絲，但由于發(fā)射面尺度較大，無法實(shí)現(xiàn)小的電子束斑。團(tuán)隊(duì)成員們設(shè)想，如果改用實(shí)驗(yàn)室自制備的準(zhǔn)宏觀碳纖維，這一材料具備準(zhǔn)宏觀尺度和完美曲率半徑的半球狀發(fā)射面，恰好符合增材微制造的要求。
曾凡光精于科研，特別是電子源材料與器件及其應(yīng)用領(lǐng)域的研究工作。他深知科研過程的艱難與取得成績的不易，將多年經(jīng)驗(yàn)對學(xué)生們傾囊相授。
在曾凡光的耐心指導(dǎo)下，通過一輪又一輪的實(shí)驗(yàn)，參賽團(tuán)隊(duì)最終利用物理空間限域效應(yīng)和控制變量法，制備出了形態(tài)完美的準(zhǔn)宏觀碳纖維。
暑假里的鄭州，氣溫高達(dá)40℃，熱浪襲人，團(tuán)隊(duì)成員卻在實(shí)驗(yàn)室里做著1000℃的燈絲生長實(shí)驗(yàn)。最終，他們實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)宏觀碳纖維燈絲材料的可控制備，進(jìn)而完成了微束電子槍的研制與測試。
曾凡光說，在做微束電子槍的時候，學(xué)生們還需要先把燈絲材料變成燈絲器件，要把比頭發(fā)絲還要細(xì)得多的材料穿進(jìn)外徑只有0.3毫米的銅管中，再把銅管壓接到剛好與燈絲材料形成可靠電連接的程度。
“由于這是一個全新的器件，市面上沒有專用工具可用，需要手動操作，只能借助顯微鏡和放大鏡來輔助操作，學(xué)生們的畏難情緒可想而知�！碧峒斑@段經(jīng)歷，曾凡光滿是心疼。
在曾凡光和其他團(tuán)隊(duì)老師們的鼓勵、示范下，同學(xué)們練就了一手操縱微小物體的嫻熟技巧�！艾F(xiàn)在，大部分學(xué)生都能獨(dú)立完成燈絲器件的制作。這極大培養(yǎng)了他們精益求精的工匠精神、迎難而上的頑強(qiáng)意志，這是講多少節(jié)課都換不來的進(jìn)步。”曾凡光感慨道。
從院賽到國賽，從鄭航到?jīng)Q賽現(xiàn)場。比賽完成后，曾凡光正帶著參賽學(xué)生在貴陽附近研學(xué)時，傳來了參賽作品獲得一等獎的消息，“聽到學(xué)生們的尖叫，看到他們眼含淚光的歡呼雀躍，那一刻，我知道他們已悄然發(fā)生了蛻變。”
讓這臺“槍”實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用
談及項(xiàng)目的研發(fā)價值，曾凡光說，“基于微束電子槍，有望開發(fā)出電子束增材微制造系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜金屬微零件的增材微制造”。
對于微束電子槍未來的發(fā)展，曾凡光也有清晰的展望，他說：“接下來，我們將重點(diǎn)推進(jìn)微束電子槍的應(yīng)用研究，推動微束電子槍由實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品向工業(yè)化應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，優(yōu)化升級產(chǎn)品質(zhì)量和性能。”
同時，他還希望，以微束電子槍為基礎(chǔ)，開發(fā)專用電子光學(xué)系統(tǒng)和專用電源系統(tǒng)，盡早完成金屬零件微納加工裝備所需的核心部件的開發(fā)，力爭早日實(shí)現(xiàn)材料—器件—裝備的躍升。
培養(yǎng)學(xué)生依然是重中之重，曾凡光想讓更多學(xué)生融入研發(fā)平臺�！巴ㄟ^精心培養(yǎng)，一定會有更多學(xué)生成為既掌握材料學(xué)知識，又具備真空電子技術(shù)應(yīng)用能力的復(fù)合型創(chuàng)新人才，成為我國相關(guān)行業(yè)的先進(jìn)材料和高端裝備領(lǐng)域不可多得的專業(yè)技術(shù)人才�！痹补鉂M懷信心地說。
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大河網(wǎng)訊（記者 劉高雅）憑借一臺微束“電子槍”，讓電子在燈絲上“跳舞”，鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院材料學(xué)院教授曾凡光在“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生競賽中，指導(dǎo)學(xué)生摘得一等獎桂冠，目前這一技術(shù)與配套裝備在全球范圍也屬空白。
年輕時學(xué)習(xí)物理專業(yè)，卻帶著學(xué)生在材料學(xué)賽道上蹚出一條新路子。即將邁入花甲之年的曾凡光還有一個心愿，“把團(tuán)隊(duì)帶出來，讓微束電子槍實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用， 早日實(shí)現(xiàn)材料—器件—裝備全鏈條創(chuàng)新�！�
這把槍究竟有啥大用途？
曾凡光口中的電子槍，并非一把“真槍”，而是以電子為“子彈”的電子發(fā)射槍。燈絲就是這把槍的“槍管”，電子從這里出發(fā)，便會隨電場和磁場的操控而“翩翩起舞”。那么，這把槍具體用在哪里？
“你知道昆蟲尺度級別的微型機(jī)器人嗎？它是由很多介觀尺度（10^-4～10^-6m）復(fù)雜金屬微零件組成的，‘微零件’是不是聽起來就很小，特別不容易制造？”曾凡光笑著問道。
據(jù)他透露，目前，我國在高端真空電子設(shè)備，如掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等燈絲材料和燈絲器件方面嚴(yán)重依賴進(jìn)口，存在潛在的卡脖子風(fēng)險。
怎樣才能制造出厘米級或陸地昆蟲級別的機(jī)器人，在諸如非結(jié)構(gòu)性或狹窄空間中進(jìn)行檢查、探測及災(zāi)后搜救？曾凡光說，精密金屬微結(jié)構(gòu)或微零件，是先決條件之一，特別是介于宏觀尺度和微觀尺度之間的介觀尺度（亞微米—亞毫米）微小金屬零件。
通過多年研究，曾凡光發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有的制造技術(shù)中，最有希望解決這一難題的技術(shù)，是采用高能量密度電子微束，對金屬微粉進(jìn)行圖形化熔融的電子微束3D打印技術(shù)，以微零件的結(jié)構(gòu)切片圖形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以高能量密度的電子微束對金屬微粉進(jìn)行逐層圖形化熔融，最終實(shí)現(xiàn)金屬復(fù)雜微零件的增材微制造。
“基于上述考慮，經(jīng)過反復(fù)論證，我們團(tuán)隊(duì)老師帶著學(xué)生在燈絲材料上尋求突破，再以關(guān)鍵材料創(chuàng)新促進(jìn)核心器件創(chuàng)新�！痹补庑老驳卣f，微束電子槍就這樣應(yīng)運(yùn)而生。
得獎后他看到學(xué)生眼含淚花
在第十八屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中，曾凡光和團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)學(xué)生獲得一等獎的作品正是《面向復(fù)雜金屬微零件增材微制造應(yīng)用的微束電子槍》。
大賽期間，有兩件事讓曾凡光記憶深刻。
現(xiàn)有的電子槍燈絲主要采用六硼化鑭和鎢絲，但由于發(fā)射面尺度較大，無法實(shí)現(xiàn)小的電子束斑。團(tuán)隊(duì)成員們設(shè)想，如果改用實(shí)驗(yàn)室自制備的準(zhǔn)宏觀碳纖維，這一材料具備準(zhǔn)宏觀尺度和完美曲率半徑的半球狀發(fā)射面，恰好符合增材微制造的要求。
曾凡光精于科研，特別是電子源材料與器件及其應(yīng)用領(lǐng)域的研究工作。他深知科研過程的艱難與取得成績的不易，將多年經(jīng)驗(yàn)對學(xué)生們傾囊相授。
在曾凡光的耐心指導(dǎo)下，通過一輪又一輪的實(shí)驗(yàn)，參賽團(tuán)隊(duì)最終利用物理空間限域效應(yīng)和控制變量法，制備出了形態(tài)完美的準(zhǔn)宏觀碳纖維。
暑假里的鄭州，氣溫高達(dá)40℃，熱浪襲人，團(tuán)隊(duì)成員卻在實(shí)驗(yàn)室里做著1000℃的燈絲生長實(shí)驗(yàn)。最終，他們實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)宏觀碳纖維燈絲材料的可控制備，進(jìn)而完成了微束電子槍的研制與測試。
曾凡光說，在做微束電子槍的時候，學(xué)生們還需要先把燈絲材料變成燈絲器件，要把比頭發(fā)絲還要細(xì)得多的材料穿進(jìn)外徑只有0.3毫米的銅管中，再把銅管壓接到剛好與燈絲材料形成可靠電連接的程度。
“由于這是一個全新的器件，市面上沒有專用工具可用，需要手動操作，只能借助顯微鏡和放大鏡來輔助操作，學(xué)生們的畏難情緒可想而知�！碧峒斑@段經(jīng)歷，曾凡光滿是心疼。
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同時，他還希望，以微束電子槍為基礎(chǔ)，開發(fā)專用電子光學(xué)系統(tǒng)和專用電源系統(tǒng)，盡早完成金屬零件微納加工裝備所需的核心部件的開發(fā)，力爭早日實(shí)現(xiàn)材料—器件—裝備的躍升。
培養(yǎng)學(xué)生依然是重中之重，曾凡光想讓更多學(xué)生融入研發(fā)平臺�！巴ㄟ^精心培養(yǎng)，一定會有更多學(xué)生成為既掌握材料學(xué)知識，又具備真空電子技術(shù)應(yīng)用能力的復(fù)合型創(chuàng)新人才，成為我國相關(guān)行業(yè)的先進(jìn)材料和高端裝備領(lǐng)域不可多得的專業(yè)技術(shù)人才。”曾凡光滿懷信心地說。
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