制造科學(xué)與技術(shù)發(fā)展趨勢.pptx

1、二十一世紀制造科學(xué)與技術(shù)發(fā)展趨勢,哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密工程研究所,1,h,內(nèi) 容,制造科學(xué)與技術(shù)研究的重要性 制造科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展趨勢 納米制造的迫切性 精密工程研究所工作簡介,2,h,一. 制造科學(xué)與技術(shù)研究的重要性,美國的教訓(xùn) 1. 上個世紀70年代,美國不重視制造業(yè),把制造業(yè)稱為“夕陽工業(yè)”, 結(jié)果導(dǎo)致美國80年代的經(jīng)濟衰退。 2. 80年代后期，美國的一些國會議員、政府要員紛紛要求政府出面， 協(xié)調(diào)和支持制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，1991年，布什政府期間，美國白宮科 學(xué)技術(shù)政策辦公室發(fā)表了總數(shù)為22項的美國國家關(guān)鍵技術(shù)，其中制 造技術(shù)占4項，標志著美國科技政策的轉(zhuǎn)變。 3. 克林頓上臺后，對制造業(yè)大

2、力支持，他把先進制造技術(shù)列為六大國 防關(guān)鍵技術(shù)之首。結(jié)果美國在機械工業(yè)、汽車工業(yè)、航空工業(yè)及信 息產(chǎn)業(yè)等方面取得了明顯的進展，使美國的經(jīng)濟連續(xù)8年取得了2-3% 的增長率，而且還同時保持低通脹率和低失業(yè)率。這就是克林頓雖 發(fā)生丑聞而未被彈劾的主要原因。,3,h,日本的經(jīng)驗 1. 在上個世紀70-80年代，日本非常重視制造業(yè)，特別大抓了汽車制 造和微電子制造，結(jié)果日本的汽車和家用電器占領(lǐng)了全世界的市 場，特別是大舉進入了美國市場。 2. 日本的微電子芯片成為美國高技術(shù)產(chǎn)品的關(guān)鍵元件。1991年海灣戰(zhàn) 爭結(jié)束后，日本人說美國贏得這場戰(zhàn)爭是依靠的日本的芯片，是 “日本的芯片打敗了伊拉克的鋼片”。,4

3、,h,東南亞經(jīng)濟危機的啟示 1. 1998年爆發(fā)的動南亞經(jīng)濟危機，從另一個側(cè)面反映了一個國家發(fā)展 制造業(yè)的重要。一個國家，如果把經(jīng)濟的基礎(chǔ)放在股票、旅游、金 融、房地產(chǎn)、服務(wù)業(yè)上，而無自己的制造業(yè)，這個國家的經(jīng)濟就容 易形成泡沫經(jīng)濟，一有風(fēng)吹草動就會產(chǎn)生經(jīng)濟危機。 2. 新加坡、臺灣都有自己的制造業(yè)，因此受經(jīng)濟危機的影響小一些。,5,h,瑞士依靠什么使人均產(chǎn)值居世界第一？ 1. 瑞士是一個僅700萬人口的小國，但瑞士的制造業(yè)十分發(fā)達，瑞士的 精密機械產(chǎn)品的出口量是我國的8倍，瑞士的手表世界第一，連小小 的軍刀，也風(fēng)靡全世界。 2. 現(xiàn)在瑞士的年人均國民生產(chǎn)總值達到4.3萬美元以上,居世界第一。

4、,6,h,2001年中國工程院的調(diào)查結(jié)論: 1. 中國制造業(yè)占國民生產(chǎn)總值的1/3 2. 占整個工業(yè)生產(chǎn)的4/5 3. 為國家財政提供1/3以上的收入 4. 貢獻出口總額的90% 5. 就業(yè)人員8043萬,7,h,制造業(yè)的重要意義,制造業(yè)處于國家工業(yè)的中心地位 國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ) 現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)動機和動力源 在國際競爭中取勝的法寶 技術(shù)進步的主要舞臺 提高人均收入的財源 國防裝備和國家安全的重要保障 發(fā)展現(xiàn)代文明的物質(zhì)基礎(chǔ),8,h,二. 制造科學(xué)與技術(shù)的四大發(fā)展趨勢,1. 綠色制造是制造科技的發(fā)展方向 2. 與高新技術(shù)相互融合，制造技術(shù)發(fā)展日新月異 3. 信息技術(shù)大大促進和提升了制造技術(shù)水

5、平 4. 極端條件下制造是制造技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域,9,h,1. 綠色制造是制造科技的發(fā)展方向,隨著社會的發(fā)展，機電產(chǎn)品制造業(yè)成為最大的 資源使用者，也是最大的環(huán)境污染源。據(jù)統(tǒng)計，全 世界制造業(yè)每年約產(chǎn)生55億噸無害廢物和7億噸有害 廢物，占全球污染物總量的70%以上。全世界1996年 有2400萬輛汽車報廢，2000年有2000萬臺計算機被 淘汰。我國在2003年達到報廢標準的汽車超過140萬 輛，家用電器2000余萬臺。,10,h,制造業(yè)的正負兩方面,11,h,.,產(chǎn)品更新?lián)Q代加快 資源短缺問題突出,12,h,面對日趨嚴峻的資源和環(huán)境約束，世界各國都在 制訂可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃。 德國制訂了產(chǎn)品回

6、收法規(guī)，日本等國提出了 減少、再利用及再循環(huán)（Reduce，Reuse， Recycle）的戰(zhàn)略，美國提出了“再制造”及“無 廢棄物制造”（Waste-Free Process）的新理 念。 歐盟將頒布“汽車材料回收”法規(guī)，從2005年起， 要求新生產(chǎn)的汽車材料的85%能再利用。,13,h,美軍是再制造的最大受益者。通過再制造,不但節(jié)約了裝備制造費用,而且延長了裝備壽命，提高了裝備的維修能力。 B-52轟炸機是美國于1961-1962年定型生產(chǎn)的，1980年、1996年兩次進行再制造改造，改造后的性能得到大幅度提高，預(yù)計服役年限可到2030年。,14,h,2. 與高新技術(shù)相互融合，制造技術(shù)發(fā)展

7、日新月異,科學(xué)技術(shù)特別是生物、納米、新能源和新 材料等高技術(shù)的迅猛發(fā)展，對制造科技帶 來了深刻的變化。 制造業(yè)是高技術(shù)的重要載體；高技術(shù)又為 制造業(yè)前瞻性發(fā)展提供了技術(shù)支持。,15,h,（1）生物制造,16,h,Bio-Plotter,17,h,細胞膠聯(lián)系統(tǒng),18,h,19,h,（2）新材料,汽車的輕量化及精密化 美國要求汽車工業(yè)到2003年油耗降為每100公里3 立升； 降低10%汽車重量提高熱效率7%及降低污染10%； 美國新一代汽車研究計劃的目標是要求車身、車架 減輕重量50%，而動力系統(tǒng)減輕重量10% 航空、航天及軍事裝備的輕量化及精密化 美國部隊有運載車250000輛，拖車11000

8、0輛。 和平時期：每加侖油10美元 戰(zhàn)爭年代：每加侖油100-400美元,20,h,21,h,22,h,23,h,3. 信息技術(shù)促進和提升制造技術(shù)水平,信息技術(shù)與制造技術(shù)相融合，將進一步給 設(shè)計與制造技術(shù)帶來深刻的，甚至是革命 性的變化。 更好、更快、更省、更可靠地制造出創(chuàng)新 產(chǎn)品。,24,h,根據(jù)美國科學(xué)研究工程技術(shù)委員會的測算： 模擬仿真可提高產(chǎn)品質(zhì)量515倍 增加材料利用率25% 降低工程技術(shù)成本13%30% 降低人工成本5%20% 增加投入設(shè)備的利用率30%60% 縮短產(chǎn)品設(shè)計和試制周期30%60% 增加分析問題廣度和深度的能力33.5倍等 計算機模擬仿真研究的目標： 多尺度、多學(xué)科、

9、多功能、高精度及高效率,25,h,4. 極端制造是制造技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域,制造空天飛行器、超常規(guī)動力裝備、超 大型冶金和石油化工裝備等極大尺寸和極強 功能的重大裝備；制造微納電子器件、微納 光機電系統(tǒng)等極小尺度和極高精度的產(chǎn)品。,26,h,（1）極小尺度微納制造,27,h,（2）極大尺寸高性能構(gòu)件強能場制造,精度（回彈）：1% 殘余應(yīng)力：0.01 晶粒度：3050m 各向同性：0.1% 零件變形抗力：16萬噸,28,h,飛行高度 1010/s,粗糙度 0.5 波紋度 1 ,磁存儲密度： 60500-1000Gb/in2 集成電路線寬： 90 50nm,制造難點： 原子級平整表面制造 特殊功能表

10、面制備 納米微米形狀加工,（3）極高精度,29,h,（4）大型構(gòu)件的精密制造,30,h,（5）高速、高精密制造,31,h,芯片上引線數(shù)目的增加趨勢近期,32,h,33,h,三峽水輪機,34,h,5. 我國中長期規(guī)劃目標,網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化、開放式復(fù)雜機電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計 理論與技術(shù) 重大工程中的特大型及關(guān)鍵零件的制造技術(shù)與科學(xué) 精密及超精密制造技術(shù)與智能化裝備 基于模擬仿真的信息化、數(shù)字化制造技術(shù)與科學(xué) 亞微米到納米級的微細制造技術(shù)與科學(xué) 生物制造技術(shù)與科學(xué) 綠色制造技術(shù)與科學(xué)（將滲透在以上科技內(nèi)容中） 廢舊產(chǎn)品再制造理論和關(guān)鍵技術(shù),35,h,納米技術(shù)簡介,36,h,1. 什么是納米技術(shù)？ 納米是什么

11、？ 1nm=10-3um 1nm=10-9m 納米是個長度單位。,37,h,2. 納米科學(xué)與技術(shù)定義 納米技術(shù)是20世紀80年代末期剛剛誕 生并正在迅速崛起的用原子和分子制造新 物質(zhì)的技術(shù)，是研究尺寸范圍在0.1-100nm 之間的物質(zhì)的組成。,38,h,3. 納米技術(shù)發(fā)展 費曼首先提出想法：1959年12月 谷口紀男首先命名：1974年 STM和SPM的發(fā)明 二十世紀90年代迅速發(fā)展,39,h,AFM工作原理圖,40,h,STM,41,h,4. 納米科學(xué)技術(shù)內(nèi)涵 納米體系物理學(xué) 納米化學(xué) 納米電子學(xué) 納米加工學(xué) 納米生物學(xué) 納米材料學(xué) 納米測量學(xué),基礎(chǔ),支撐,制高點,42,h,5. 納米科學(xué)

12、的重要意義 使人類認識產(chǎn)生革命性變化,碳納米管,43,h,碳納米管的性能,網(wǎng)狀石墨卷成筒 尺寸:1個多納米幾十個納米 出現(xiàn)了一些奇異特性,44,h, 強度是鋼的100倍 重量是鋼的1/6 具有金屬和半導(dǎo)體的兩重屬性 極好的導(dǎo)電性及電流密度1億安/cm2 極好的儲氫性能,可以作汽車燃料電池 可以用來稱病毒重量.210-16克 納米電纜,10nm直徑碳管外倉氧化硅絕緣體 我國在世界領(lǐng)先,北大彭練矛可作出直徑.33nm, 超過日本0.4nm.,45,h,46,h,納米鑷子的夾取,47,h,新產(chǎn)業(yè)革命的主導(dǎo)技術(shù),48,h,納米科技將引發(fā)一場新的工業(yè)革命 IBM首席科學(xué)家阿姆斯特朗(Armstrong)

13、 ： “相信納米科技將在信息時代的下一階段占中心 地位，并發(fā)揮革命的作用,正如二十世紀七十年 代初以來微納米科技已經(jīng)起的作用那樣?！?49,h,德國顯微技術(shù)學(xué)院院長沃爾夫?qū)?埃爾費爾德:“未來幾乎所有現(xiàn)代化技術(shù)領(lǐng)域的革新與進步都離不開微納米技術(shù)”,50,h,錢學(xué)森預(yù)言： “納米和納米以下結(jié)構(gòu)是下一階段科技 發(fā)展的一個重點，會是一次革命，從而是 二十一世紀又一次產(chǎn)業(yè)革命?！?51,h,三. 從納米技術(shù)發(fā)展看 納米制造的迫切性,52,h,1、制造業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，但其發(fā) 展必須滿足科學(xué)進步時代的需求,53,h,世界產(chǎn)業(yè)革命的歷史 第一次產(chǎn)業(yè)革命 18世紀60年代 蒸汽機 (英國) 機械化 第

14、二次產(chǎn)業(yè)革命 19世紀50年代 內(nèi)燃機、電機 (德國) 電氣化 第三次產(chǎn)業(yè)革命 20世紀70年代 集成電路 (美國等) 信息化 第四次產(chǎn)業(yè)革命 21世紀中葉 納米科技 (包括中國) ？,54,h,2、納米技術(shù)發(fā)展的需求 2.1 納電子器件和分子電子器件的發(fā)展情況 （1）實例 碳納米管三極管,55,h,單電子晶體管,56,h,單電子晶體管（續(xù)）,57,h,分子開關(guān),58,h,有機分子晶體管,59,h,分子共振隧穿晶體管,60,h,分子晶體管,61,h,分子晶體管（續(xù)）,62,h,分子存儲器,63,h,（2）微電子，納電子，分子電子器件比較,64,h,（3）納電子制造已提到日程上,美國2001年科

15、學(xué)促進會宣布： 再用510年納電子技術(shù)就會改變計算機業(yè)的發(fā)展走向。 今后發(fā)展主要問題 如何將上萬億的納電子元件組成系統(tǒng) 納電子設(shè)備與微電子設(shè)備如何集成在一起 提高分子間的電解除和電傳輸性能 提高生產(chǎn)率和重復(fù)精度,65,h,2.2 納米材料技術(shù)發(fā)展趨勢,（1）從人類使用主要工具材料看趨勢 用特征工具材料描述人類社會經(jīng)歷的時代,66,h,碳是構(gòu)成有機化合物的基本元素，也是構(gòu)成生物體的基本材料，是分子電子器件的主要制作材料。,67,h,（2）從納米材料研究歷史看趨勢,1990年以前 納米顆粒與快體 19901994 納米復(fù)合材料與物理探索 1994至今 納米組裝和人工組裝納米 體系,68,h,（3）

16、現(xiàn)在納米材料的研究也需要制造技術(shù)參與彩蝶翅膀結(jié)構(gòu)圖,69,h,新型微孔晶體光子晶體,（1987年貝爾通訊研 究中心的雅布洛羅維 奇用4年鉆了五千多萬 個孔，沒能做出光學(xué) 晶體。又過幾周，因 借鑒鉆石四面體結(jié)構(gòu)， 加工出光學(xué)半導(dǎo)體。）,70,h,2.3 納米生物學(xué)的發(fā)展趨勢（1）生物馬達三磷酸腺苷酶（ATP）,（鎳螺旋漿：150nm，750nm長，中柱： 80nm，長200nm，系統(tǒng)1000nm。 以8轉(zhuǎn)/秒旋轉(zhuǎn)）,71,h,（2）生物組裝,納米生物 為納米制 造技術(shù)提 供了無限 廣闊的應(yīng) 用領(lǐng)域,72,h,73,h,74,h,75,h,76,h,（3）生物計算機,77,h,3、納米制造,1. 定義 制造部件的特征尺寸在0.1100nm量級的相關(guān)技術(shù),78,h,2.自下而上的制造方法單原子操作 2.1 原子平移,79,h,80,h,81,h,82,h,83,h,2.2 單原子提取,84,h,85,h,86,h,2.3 單原子放置 （1）鉛筆法,87,h,88,h,（）蘸筆法,89,h,3 自上而下的制造方法 3.1 用AFM進行納米加工,90,h