【編者按】成長(zhǎng)的路上,你是否遇到過(guò)“身懷絕技”的老師,讓沉悶的課堂生動(dòng)有趣,把特長(zhǎng)變成賦能學(xué)生的“法寶”,把學(xué)生的興趣愛(ài)好拓展成對(duì)未來(lái)職業(yè)的向往。大河網(wǎng)教師節(jié)策劃《我的老師有絕活》,看老師們?nèi)绾斡?ldquo;絕活”托起下一代的夢(mèng)想。
大河網(wǎng)訊(記者 劉高雅)憑借一臺(tái)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(guó)大學(xué)生競(jìng)賽中,指導(dǎo)學(xué)生摘得一等獎(jiǎng)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(shí)學(xué)習(xí)物理專(zhuān)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(gè)心愿,“把團(tuán)隊(duì)帶出來(lái),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?zhuān)⒎且话?ldquo;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(huì)隨電場(chǎng)和磁場(chǎng)的操控而“翩翩起舞”。那么,這把槍具體用在哪里?
“你知道昆蟲(chóng)尺度級(jí)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(tīng)起來(lái)就很小,特別不容易制造?”曾凡光笑著問(wèn)道。
據(jù)他透露,目前,我國(guó)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(lài)進(jìn)口,存在潛在的卡脖子風(fēng)險(xiǎn)。
怎樣才能制造出厘米級(jí)或陸地昆蟲(chóng)級(jí)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(cè)及災(zāi)后搜救?曾凡光說(shuō),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(guò)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(duì)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(duì)金屬微粉進(jìn)行逐層圖形化熔融,最終實(shí)現(xiàn)金屬?gòu)?fù)雜微零件的增材微制造。
“基于上述考慮,經(jīng)過(guò)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。”曾凡光欣喜地說(shuō),微束電子槍就這樣應(yīng)運(yùn)而生。
得獎(jiǎng)后他看到學(xué)生眼含淚花
在第十八屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽中,曾凡光和團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)學(xué)生獲得一等獎(jiǎng)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(wú)法實(shí)現(xiàn)小的電子束斑。團(tuán)隊(duì)成員們?cè)O(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(guò)程的艱難與取得成績(jī)的不易,將多年經(jīng)驗(yàn)對(duì)學(xué)生們傾囊相授。
在曾凡光的耐心指導(dǎo)下,通過(guò)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(zhǎng)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(cè)試。
曾凡光說(shuō),在做微束電子槍的時(shí)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(gè)全新的器件,市面上沒(méi)有專(zhuān)用工具可用,需要手動(dòng)操作,只能借助顯微鏡和放大鏡來(lái)輔助操作,學(xué)生們的畏難情緒可想而知。”提及這段經(jīng)歷,曾凡光滿(mǎn)是心疼。
在曾凡光和其他團(tuán)隊(duì)老師們的鼓勵(lì)、示范下,同學(xué)們練就了一手操縱微小物體的嫻熟技巧。“現(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(lái)的進(jìn)步。”曾凡光感慨道。
從院賽到國(guó)賽,從鄭航到?jīng)Q賽現(xiàn)場(chǎng)。比賽完成后,曾凡光正帶著參賽學(xué)生在貴陽(yáng)附近研學(xué)時(shí),傳來(lái)了參賽作品獲得一等獎(jiǎng)的消息,“聽(tīng)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(tái)“槍”實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用
談及項(xiàng)目的研發(fā)價(jià)值,曾凡光說(shuō),“基于微束電子槍?zhuān)型_(kāi)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(duì)于微束電子槍未來(lái)的發(fā)展,曾凡光也有清晰的展望,他說(shuō):“接下來(lái),我們將重點(diǎn)推進(jìn)微束電子槍的應(yīng)用研究,推動(dòng)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(jí)產(chǎn)品質(zhì)量和性能。”
同時(shí),他還希望,以微束電子槍為基礎(chǔ),開(kāi)發(fā)專(zhuān)用電子光學(xué)系統(tǒng)和專(zhuān)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(kāi)發(fā),力爭(zhēng)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(tái)。“通過(guò)精心培養(yǎng),一定會(huì)有更多學(xué)生成為既掌握材料學(xué)知識(shí),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(guó)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(zhuān)業(yè)技術(shù)人才。”曾凡光滿(mǎn)懷信心地說(shuō)。
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