二十一世紀(jì)制造科學(xué)與技術(shù)發(fā)展趨勢（一）

1、二十一世紀(jì)制造科學(xué)與技術(shù)發(fā)展趨勢（一）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(jì)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(jì)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(xiàng)的美國國家關(guān)鍵技術(shù)，其中制 造技術(shù)占4項(xiàng)，標(biāo)志著美國科技政策的轉(zhuǎn)變。3. 克林頓上臺后，對制造業(yè)大力支持，他把先進(jìn)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(jī)械工業(yè)、汽車工業(yè)

2、、航空工業(yè)及信 息產(chǎn)業(yè)等方面取得了明顯的進(jìn)展，使美國的經(jīng)濟(jì)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。日本的經(jīng)驗(yàn)1. 在上個世紀(jì)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(jìn)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”。東南亞經(jīng)濟(jì)危機(jī)的啟示1. 1998年爆發(fā)的動南亞經(jīng)濟(jì)危機(jī)，從另一個側(cè)面反映了一個國家發(fā)展 制造業(yè)的

3、重要。一個國家，如果把經(jīng)濟(jì)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(jì)就容 易形成泡沫經(jīng)濟(jì)，一有風(fēng)吹草動就會產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)危機(jī)。2. 新加坡、臺灣都有自己的制造業(yè)，因此受經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響小一些。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(dá)，瑞士的 精密機(jī)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(dá)到4.3萬美元以上,居世界第一。 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4/53. 為國家財(cái)政提供

4、1/3以上的收入4. 貢獻(xiàn)出口總額的90%5. 就業(yè)人員8043萬制造業(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(jì)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ) 現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)動機(jī)和動力源 在國際競爭中取勝的法寶 技術(shù)進(jìn)步的主要舞臺 提高人均收入的財(cái)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)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(jìn)和提升了制造技術(shù)水平4. 極端條件下制造是制造技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域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(jī)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(jì)，

5、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(bào)廢，2000年有2000萬臺計(jì)算機(jī)被淘汰。我國在2003年達(dá)到報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)的汽車超過140萬輛，家用電器2000余萬臺。制造業(yè)的正負(fù)兩方面 .產(chǎn)品更新?lián)Q代加快 資源短缺問題突出 68年177年26年22年年限46年278年92年78年中國機(jī)電產(chǎn)品報(bào)廢量(2003年)鐵鋁銅鋅全球重要金屬可采年限(2000年)鎳鉻錳鎢140萬輛1500萬臺500萬臺數(shù)量汽車家電電腦 面對日趨嚴(yán)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)品回收法規(guī)，日本等國提出了 減少、再利

6、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。 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(fèi)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(jī)是美國于1961-1962年定型生產(chǎn)的，1980年、1996年兩次進(jìn)行再制造改造，改造后的性能得到大幅度提高，預(yù)計(jì)服役年限可到2030年。2. 與高新技術(shù)相互融合，制造技術(shù)發(fā)展日新月異 科學(xué)技術(shù)特別是生物、納米、新能源和新 材料等高

7、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。（1）生物制造Bio-Plotter細(xì)胞膠聯(lián)系統(tǒng)（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(jì)劃的目標(biāo)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(duì)有運(yùn)載車250000輛，拖車110000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3. 信息技術(shù)促進(jìn)和提升制造技術(shù)水平 信息

8、技術(shù)與制造技術(shù)相融合，將進(jìn)一步給 設(shè)計(jì)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。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(jì)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(jì)算機(jī)模擬仿真研究的目標(biāo)：多尺度、多學(xué)科、多功能、高精度及高效率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(qiáng)功能的重大裝備；制造微納電子器件、微納

9、光機(jī)電系統(tǒng)等極小尺度和極高精度的產(chǎn)品。（1）極小尺度微納制造（2）極大尺寸高性能構(gòu)件強(qiáng)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(diǎn)：原子級平整表面制造特殊功能表面制備納米微米形狀加工（3）極高精度（4）大型構(gòu)件的精密制造（5）高速、高精密制造芯片上引線數(shù)目的增加趨勢近期芯片上引線數(shù)目的增加趨勢遠(yuǎn)期200820112014Low cost160-580201-730254-920Hand held25

10、6-736322-927406-1167Cost performance740-1893932-25891174-3591High performance443762348758Harsh40-48040-60440-761Memory48-18248-20048-220三峽水輪機(jī)5. 我國中長期規(guī)劃目標(biāo) 網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化、開放式復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì) 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(xì)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

11、制造理論和關(guān)鍵技術(shù)納米技術(shù)簡介1. 什么是納米技術(shù)？ 納米是什么？ 1nm=10-3um 1nm=10-9m 納米是個長度單位。2. 納米科學(xué)與技術(shù)定義 納米技術(shù)是20世紀(jì)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。3. 納米技術(shù)發(fā)展費(fèi)曼首先提出想法：1959年12月谷口紀(jì)男首先命名：1974年STM和SPM的發(fā)明二十世紀(jì)90年代迅速發(fā)展Feedback LoopLaserPhotodiodeSampleYXZCantileverDisplayTopographyX-Y Scan ControlScannerAFM工作原

12、理圖STM4. 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(diǎn)5. 納米科學(xué)的重要意義 使人類認(rèn)識產(chǎn)生革命性變化碳納米管碳納米管的性能網(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 強(qiáng)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. 納米鑷子的夾取 新產(chǎn)業(yè)革命的主導(dǎo)技術(shù) 納米科技將引發(fā)一

13、場新的工業(yè)革命 IBM首席科學(xué)家阿姆斯特朗(Armstrong) ：“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(jì)七十年代初以來微納米科技已經(jīng)起的作用那樣。”德國顯微技術(shù)學(xué)院院長沃爾夫?qū)?埃爾費(fèi)爾德:“未來幾乎所有現(xiàn)代化技術(shù)領(lǐng)域的革新與進(jìn)步都離不開微納米技術(shù)”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(diǎn)，會是一次革命，從而是二十一世紀(jì)又一次產(chǎn)業(yè)革命?！比? 從納米技術(shù)發(fā)展看 納米制造的迫切性1、制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，但其發(fā) 展必須滿足科學(xué)進(jìn)步時代的需求世界產(chǎn)業(yè)革命的歷史第一次產(chǎn)業(yè)革命 18世紀(jì)60年代 蒸汽機(jī) (英國) 機(jī)械化第二次產(chǎn)業(yè)革

14、命 19世紀(jì)50年代 內(nèi)燃機(jī)、電機(jī) (德國) 電氣化第三次產(chǎn)業(yè)革命 20世紀(jì)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(jì)中葉 納米科技 (包括中國) ？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(shí)例 碳納米管三極管單電子晶體管單電子晶體管（續(xù)）分子開關(guān)有機(jī)分子晶體管分子共振隧穿晶體管分子晶體管分子晶體管（續(xù)）分子存儲器（2）微電子，納電子，分子電子器件比較（3）納電子制造已提到日程上 美國2001年科學(xué)促進(jìn)會宣布：再用510年納電子技術(shù)就會改變計(jì)算機(jī)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

15、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)歷的時代碳是構(gòu)成有機(jī)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。（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 （3）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。）2.3 納米生物學(xué)的發(fā)展趨勢（1）生物馬達(dá)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)）（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（3）生物計(jì)算機(jī)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)2.自下而上的制造