Er will auf dem Filament „tanzen“ und Insektenroboter aus der Science-Fiction in die Realität „kriechen“ lassen

Mithilfe einer Mikrostrahl-„Elektronenkanone“, die Elektronen auf dem Filament „tanzen“ lässt, führte Zeng Fanguang, Professor an der School of Materials des Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management, seine Studenten zum ersten Preis beim „Challenge Cup“, dem nationalen Studentenwettbewerb. Derzeit sind diese Technologie und die unterstützende Ausrüstung weltweit unbekannt.

In jungen Jahren studierte er Physik, doch unter seiner Führung beschritten seine Studenten neue Wege in der Materialwissenschaft. Zeng Fanguang, der bald die Sechzig erreicht, hat noch einen weiteren Wunsch: „Das Team zusammenzubringen, die Mikrostrahl-Elektronenkanone industriell nutzbar zu machen und die Innovation der gesamten Material-, Geräte- und Ausrüstungskette so schnell wie möglich zu realisieren.“

Was ist der Zweck dieser Waffe?

Bei der von Zeng Fanguang erwähnten Elektronenkanone handelt es sich nicht um eine „echte Kanone“, sondern um eine Elektronenstartkanone, die Elektronen als „Kugeln“ verwendet. Das Filament ist der „Lauf“ der Pistole. Von hier aus starten die Elektronen und „tanzen“ unter der Kontrolle der elektrischen und magnetischen Felder. Wo genau wird diese Waffe eingesetzt?

Kennen Sie Mikroroboter im Insektenmaßstab? Sie bestehen aus vielen komplexen metallischen Mikroteilen im mesoskopischen Maßstab (10^-4 bis 10^-6 m). Klingt „Mikroteile“ nicht sehr klein und besonders schwierig herzustellen? Zeng Fanguang fragte lächelnd.

Ihm zufolge ist mein Land derzeit bei Filamentmaterialien und Filamentgeräten für elektronische High-End-Vakuumgeräte wie Rasterelektronenmikroskope, Transmissionselektronenmikroskope usw. stark von Importen abhängig, was ein potenzielles Engpassrisiko darstellt.

Wie können wir Roboter in der Größe von Zentimetern oder von Insekten auf der Erde schaffen, die Inspektionen, Ortungen und Such- und Rettungseinsätze nach Katastrophen in unstrukturierten oder engen Räumen durchführen können? Zeng Fanguang sagte, dass präzise Mikrostrukturen oder Mikroteile aus Metall eine der Voraussetzungen seien, insbesondere winzige Metallteile im Mesoskalenbereich (Submikrometer bis Submillimeter) zwischen dem Makro- und dem Mikromaßstab.

Durch jahrelange Forschung hat Zeng Fanguang herausgefunden, dass unter den bestehenden Fertigungstechnologien die Elektronenmikrostrahl-3D-Drucktechnologie die vielversprechendste Technologie zur Lösung dieses Problems ist. Dabei wird ein Elektronenmikrostrahl mit hoher Energiedichte zum grafischen Schmelzen von Metallmikropulvern verwendet. Basierend auf den Strukturschichtgrafikdaten der Mikroteile werden die Metallmikropulver mit einem Elektronenmikrostrahl mit hoher Energiedichte Schicht für Schicht grafisch geschmolzen, wodurch letztendlich die additive Mikrofertigung komplexer Metallmikroteile erreicht wird.

„Auf der Grundlage der oben genannten Überlegungen und nach wiederholten Diskussionen leiteten die Lehrer unseres Teams die Schüler dazu an, nach Durchbrüchen bei Filamentmaterialien zu suchen, und förderten dann Innovationen bei Kernkomponenten durch Innovationen bei Schlüsselmaterialien.“ Sagte Zeng Fanguang fröhlich, und so entstand die Mikrostrahl-Elektronenkanone.

Nach dem Gewinn der Auszeichnung sah er die Schüler mit Tränen in den Augen

Beim 18. „Challenge Cup“, dem Wettbewerb für außerschulische akademische und technologische Arbeiten nationaler College-Studenten, führten Zeng Fanguang und sein Team die Studenten mit der Arbeit „Microbeam Electron Gun for Additive Micromanufacturing of Complex Metal Microparts“ zum ersten Preis.

Während des Wettbewerbs gab es zwei Dinge, die bei Zeng Fanguang einen tiefen Eindruck hinterließen.

Bei den vorhandenen Elektronenkanonenfilamenten werden hauptsächlich Lanthanhexaborid- und Wolframfilamente verwendet. Aufgrund der großen Emissionsfläche ist es jedoch unmöglich, einen kleinen Elektronenstrahlfleck zu erzielen. Die Teammitglieder stellten sich vor, dass bei Verwendung quasi-makroskopischer, im Labor hergestellter Kohlenstofffasern dieses Material eine halbkugelförmige Emissionsoberfläche mit quasi-makroskopischer Größe und perfektem Krümmungsradius aufweisen würde, die genau den Anforderungen der additiven Mikrofertigung entsprechen würde.

Zeng Fanguang ist kompetent in der wissenschaftlichen Forschung, insbesondere im Bereich elektronischer Ausgangsmaterialien und Geräte und deren Anwendungen. Er ist sich der Schwierigkeit des wissenschaftlichen Forschungsprozesses und der harten Arbeit, die nötig ist, um Ergebnisse zu erzielen, voll bewusst und gibt seine langjährige Erfahrung an seine Studierenden weiter.

Unter der geduldigen Anleitung von Zeng Fanguang nutzte das teilnehmende Team in mehreren Versuchsrunden schließlich den physikalischen Raumbegrenzungseffekt und die Methode der kontrollierten Variablen, um quasi-makroskopische Kohlenstofffasern mit perfekter Morphologie herzustellen.

Während der Sommerferien in Zhengzhou erreichte die Temperatur 40 °C und die Hitzewelle war erdrückend, aber die Teammitglieder führten im Labor Filamentwachstumsexperimente bei 1000 °C durch. Schließlich gelang ihnen die kontrollierte Herstellung quasi-makroskopischer Kohlenstofffaserfilamentmaterialien und sie schlossen die Entwicklung und Erprobung der Mikrostrahl-Elektronenkanone ab.

Zeng Fanguang sagte, dass die Studenten beim Bau einer Mikrostrahl-Elektronenkanone auch zuerst das Filamentmaterial in ein Filamentgerät verwandeln müssen. Sie müssen das Material, das viel dünner als ein Haar ist, in ein Kupferrohr mit einem Außendurchmesser von nur 0,3 mm einfädeln und das Kupferrohr dann so weit crimpen, dass gerade noch eine zuverlässige elektrische Verbindung mit dem Glühfadenmaterial entsteht.

„Da es sich um ein brandneues Gerät handelt, sind auf dem Markt keine Spezialwerkzeuge erhältlich und die Bedienung muss manuell erfolgen, mit Hilfe von Mikroskopen und Lupen. Sie können sich vorstellen, wie viel Angst die Studenten hatten.“ Zeng Fanguang war von tiefem Kummer erfüllt, als er über diese Erfahrung sprach.

Mit der Ermutigung und den Vorführungen von Zeng Fanguang und anderen Lehrern im Team haben die Schüler die Fähigkeit zur Manipulation winziger Objekte gemeistert. „Heute können die meisten Studierenden die Herstellung von Filamentgeräten selbstständig abschließen. Dadurch wurde ihr handwerklicher Geist, ihr Streben nach Exzellenz und ihre Beharrlichkeit, sich Herausforderungen zu stellen, enorm gefördert. Diesen Fortschritt können sie nicht erreichen, egal wie viele Kurse sie besuchen“, sagte Zeng Fanguang gerührt.

Vom Hochschulwettbewerb zum nationalen Wettbewerb, von Zheng Hang bis zum Finale. Nach dem Wettbewerb fuhr Zeng Fanguang mit den teilnehmenden Studenten zum Studium in die Nähe von Guiyang, als er die Nachricht hörte, dass sein Beitrag den ersten Preis gewonnen hatte. „Als ich die Schüler schreien hörte und sah, wie sie mit Tränen in den Augen jubelten, wusste ich in diesem Moment, dass sie sich still und leise verwandelt hatten.“

Lassen Sie diese "Waffe" industrielle Anwendung realisieren

Über den F&E-Wert des Projekts sagte Zeng Fanguang: „Basierend auf der Mikrostrahl-Elektronenkanone soll ein additives Elektronenstrahl-Mikrofertigungssystem entwickelt werden, wodurch die additive Mikrofertigung komplexer metallischer Mikroteile ermöglicht wird.“

Zeng Fanguang hat auch eine klare Vision für die zukünftige Entwicklung von Mikrostrahl-Elektronenkanonen. Er sagte: „Als Nächstes werden wir uns auf die Förderung der Anwendungsforschung zu Mikrostrahl-Elektronenkanonen konzentrieren, die Umwandlung von Mikrostrahl-Elektronenkanonen von Laborprodukten in industrielle Anwendungen vorantreiben und die Produktqualität und -leistung optimieren und verbessern.“

Gleichzeitig hofft er, ein spezielles elektronenoptisches System und ein spezielles Stromversorgungssystem auf Basis der Mikrostrahl-Elektronenkanone zu entwickeln, die Entwicklung der für die Mikro-Nano-Verarbeitungsausrüstung für Metallteile erforderlichen Kernkomponenten so schnell wie möglich abzuschließen und den Sprung von Materialien über Geräte zu Ausrüstungen so schnell wie möglich zu vollziehen.

Die Ausbildung von Studenten hat weiterhin höchste Priorität und Zeng Fanguang möchte mehr Studenten in die F&E-Plattform integrieren. „Durch sorgfältige Ausbildung werden mehr Studierende zu innovativen Talenten heranwachsen, die nicht nur Kenntnisse in den Materialwissenschaften besitzen, sondern auch die Fähigkeit besitzen, Vakuumelektroniktechnologie anzuwenden, und zu seltenen professionellen und technischen Talenten in den Bereichen fortschrittliche Materialien und High-End-Geräte in verwandten Branchen in meinem Land werden.“ sagte Zeng Fanguang zuversichtlich.