我的老師有絕活丨在燈絲上“跳舞” 他要讓昆蟲機器人從科幻“爬”進現實
更新時間：2024/9/9 11:24:41 來源：大河網
時政要聞
大河網訊（記者 劉高雅）憑借一臺微束“電子槍”，讓電子在燈絲上“跳舞”，鄭州航空工業管理學院材料學院教授曾凡光在“挑戰杯”全國大學生競賽中，指導學生摘得一等獎桂冠，目前這一技術與配套裝備在全球范圍也屬空白。
年輕時學習物理專業，卻帶著學生在材料學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，“把團隊帶出來，讓微束電子槍實現工業化應用， 早日實現材料—器件—裝備全鏈條創新。”
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”的電子發射槍。燈絲就是這把槍的“槍管”，電子從這里出發，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器人嗎？它是由很多介觀尺度（10^-4～10^-6m）復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。
據他透露，目前，我國在高端真空電子設備，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重依賴進口，存在潛在的卡脖子風險。
怎樣才能制造出厘米級或陸地昆蟲級別的機器人，在諸如非結構性或狹窄空間中進行檢查、探測及災后搜救？曾凡光說，精密金屬微結構或微零件，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，曾凡光發現，在現有的制造技術中，最有希望解決這一難題的技術，是采用高能量密度電子微束，對金屬微粉進行圖形化熔融的電子微束3D打印技術，以微零件的結構切片圖形數據為基礎，以高能量密度的電子微束對金屬微粉進行逐層圖形化熔融，最終實現金屬復雜微零件的增材微制造。
“基于上述考慮，經過反復論證，我們團隊老師帶著學生在燈絲材料上尋求突破，再以關鍵材料創新促進核心器件創新。”曾凡光欣喜地說，微束電子槍就這樣應運而生。
得獎后他看到學生眼含淚花
在第十八屆“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽中，曾凡光和團隊指導學生獲得一等獎的作品正是《面向復雜金屬微零件增材微制造應用的微束電子槍》。
大賽期間，有兩件事讓曾凡光記憶深刻。
現有的電子槍燈絲主要采用六硼化鑭和鎢絲，但由于發射面尺度較大，無法實現小的電子束斑。團隊成員們設想，如果改用實驗室自制備的準宏觀碳纖維，這一材料具備準宏觀尺度和完美曲率半徑的半球狀發射面，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用領域的研究工作。他深知科研過程的艱難與取得成績的不易，將多年經驗對學生們傾囊相授。
在曾凡光的耐心指導下，通過一輪又一輪的實驗，參賽團隊最終利用物理空間限域效應和控制變量法，制備出了形態完美的準宏觀碳纖維。
暑假里的鄭州，氣溫高達40℃，熱浪襲人，團隊成員卻在實驗室里做著1000℃的燈絲生長實驗。最終，他們實現了準宏觀碳纖維燈絲材料的可控制備，進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，學生們還需要先把燈絲材料變成燈絲器件，要把比頭發絲還要細得多的材料穿進外徑只有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，學生們的畏難情緒可想而知。”提及這段經歷，曾凡光滿是心疼。
在曾凡光和其他團隊老師們的鼓勵、示范下，同學們練就了一手操縱微小物體的嫻熟技巧。“現在，大部分學生都能獨立完成燈絲器件的制作。這極大培養了他們精益求精的工匠精神、迎難而上的頑強意志，這是講多少節課都換不來的進步。”曾凡光感慨道。
從院賽到國賽，從鄭航到決賽現場。比賽完成后，曾凡光正帶著參賽學生在貴陽附近研學時，傳來了參賽作品獲得一等獎的消息，“聽到學生們的尖叫，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生了蛻變。”
讓這臺“槍”實現工業化應用
談及項目的研發價值，曾凡光說，“基于微束電子槍，有望開發出電子束增材微制造系統，從而實現復雜金屬微零件的增材微制造”。
對于微束電子槍未來的發展，曾凡光也有清晰的展望，他說：“接下來，我們將重點推進微束電子槍的應用研究，推動微束電子槍由實驗室產品向工業化應用的轉化，優化升級產品質量和性能。”
同時，他還希望，以微束電子槍為基礎，開發專用電子光學系統和專用電源系統，盡早完成金屬零件微納加工裝備所需的核心部件的開發，力爭早日實現材料—器件—裝備的躍升。
培養學生依然是重中之重，曾凡光想讓更多學生融入研發平臺。“通過精心培養，一定會有更多學生成為既掌握材料學知識，又具備真空電子技術應用能力的復合型創新人才，成為我國相關行業的先進材料和高端裝備領域不可多得的專業技術人才。”曾凡光滿懷信心地說。
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大河網訊（記者 劉高雅）憑借一臺微束“電子槍”，讓電子在燈絲上“跳舞”，鄭州航空工業管理學院材料學院教授曾凡光在“挑戰杯”全國大學生競賽中，指導學生摘得一等獎桂冠，目前這一技術與配套裝備在全球范圍也屬空白。
年輕時學習物理專業，卻帶著學生在材料學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，“把團隊帶出來，讓微束電子槍實現工業化應用， 早日實現材料—器件—裝備全鏈條創新。”
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”的電子發射槍。燈絲就是這把槍的“槍管”，電子從這里出發，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器人嗎？它是由很多介觀尺度（10^-4～10^-6m）復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。
據他透露，目前，我國在高端真空電子設備，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重依賴進口，存在潛在的卡脖子風險。
怎樣才能制造出厘米級或陸地昆蟲級別的機器人，在諸如非結構性或狹窄空間中進行檢查、探測及災后搜救？曾凡光說，精密金屬微結構或微零件，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，曾凡光發現，在現有的制造技術中，最有希望解決這一難題的技術，是采用高能量密度電子微束，對金屬微粉進行圖形化熔融的電子微束3D打印技術，以微零件的結構切片圖形數據為基礎，以高能量密度的電子微束對金屬微粉進行逐層圖形化熔融，最終實現金屬復雜微零件的增材微制造。
“基于上述考慮，經過反復論證，我們團隊老師帶著學生在燈絲材料上尋求突破，再以關鍵材料創新促進核心器件創新。”曾凡光欣喜地說，微束電子槍就這樣應運而生。
得獎后他看到學生眼含淚花
在第十八屆“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽中，曾凡光和團隊指導學生獲得一等獎的作品正是《面向復雜金屬微零件增材微制造應用的微束電子槍》。
大賽期間，有兩件事讓曾凡光記憶深刻。
現有的電子槍燈絲主要采用六硼化鑭和鎢絲，但由于發射面尺度較大，無法實現小的電子束斑。團隊成員們設想，如果改用實驗室自制備的準宏觀碳纖維，這一材料具備準宏觀尺度和完美曲率半徑的半球狀發射面，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用領域的研究工作。他深知科研過程的艱難與取得成績的不易，將多年經驗對學生們傾囊相授。
在曾凡光的耐心指導下，通過一輪又一輪的實驗，參賽團隊最終利用物理空間限域效應和控制變量法，制備出了形態完美的準宏觀碳纖維。
暑假里的鄭州，氣溫高達40℃，熱浪襲人，團隊成員卻在實驗室里做著1000℃的燈絲生長實驗。最終，他們實現了準宏觀碳纖維燈絲材料的可控制備，進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，學生們還需要先把燈絲材料變成燈絲器件，要把比頭發絲還要細得多的材料穿進外徑只有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，學生們的畏難情緒可想而知。”提及這段經歷，曾凡光滿是心疼。
在曾凡光和其他團隊老師們的鼓勵、示范下，同學們練就了一手操縱微小物體的嫻熟技巧。“現在，大部分學生都能獨立完成燈絲器件的制作。這極大培養了他們精益求精的工匠精神、迎難而上的頑強意志，這是講多少節課都換不來的進步。”曾凡光感慨道。
從院賽到國賽，從鄭航到決賽現場。比賽完成后，曾凡光正帶著參賽學生在貴陽附近研學時，傳來了參賽作品獲得一等獎的消息，“聽到學生們的尖叫，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生了蛻變。”
讓這臺“槍”實現工業化應用
談及項目的研發價值，曾凡光說，“基于微束電子槍，有望開發出電子束增材微制造系統，從而實現復雜金屬微零件的增材微制造”。
對于微束電子槍未來的發展，曾凡光也有清晰的展望，他說：“接下來，我們將重點推進微束電子槍的應用研究，推動微束電子槍由實驗室產品向工業化應用的轉化，優化升級產品質量和性能。”
同時，他還希望，以微束電子槍為基礎，開發專用電子光學系統和專用電源系統，盡早完成金屬零件微納加工裝備所需的核心部件的開發，力爭早日實現材料—器件—裝備的躍升。
培養學生依然是重中之重，曾凡光想讓更多學生融入研發平臺。“通過精心培養，一定會有更多學生成為既掌握材料學知識，又具備真空電子技術應用能力的復合型創新人才，成為我國相關行業的先進材料和高端裝備領域不可多得的專業技術人才。”曾凡光滿懷信心地說。
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