清華大學(xué)機(jī)械工程概論論文《我眼中的機(jī)械工程專業(yè)》

1、我眼中的機(jī)械工程專業(yè)當(dāng)初報(bào)考制造自動(dòng)化與測(cè)控技術(shù)專業(yè)，其實(shí)對(duì)專業(yè)主要研究方向、教學(xué)內(nèi)容、發(fā)展方向 可以說都是基本無知的，只是因?yàn)閷?duì)機(jī)械感興趣，又知道機(jī)械工程專業(yè)是以材料成型為主要 方向，所以報(bào)考了精儀系的專業(yè)，幸運(yùn)的成為了高手云集大師輩出的清華大學(xué)精密儀器與機(jī) 械學(xué)系的學(xué)生。就這樣懵懵懂懂地來到清華大學(xué)，走進(jìn)精密儀器與機(jī)械學(xué)系，開始人生在新 一個(gè)起點(diǎn)上的征程。經(jīng)過入學(xué)以來半學(xué)期時(shí)間機(jī)械工程專業(yè)概論課學(xué)習(xí)，對(duì)專業(yè)有了一些初步的認(rèn)識(shí)，對(duì)原 來難以有機(jī)會(huì)接觸、聽聞的尖端技術(shù)領(lǐng)域有了淺層次的了解。結(jié)合課上學(xué)習(xí)以及在網(wǎng)絡(luò)、書 籍上獲得的資料，在這篇文章中，粗淺地談一談我所了解的機(jī)械工程專業(yè)。一、機(jī)械工程

2、學(xué)科的定義及戰(zhàn)略地位1、機(jī)械工程學(xué)科的定義：機(jī)械工程是以有關(guān)的自然科學(xué)和技術(shù)科學(xué)為理論基礎(chǔ)，結(jié)合 生產(chǎn)實(shí)踐中的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，研究和解決在開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)用和修理各種機(jī)械中的 全部理論和實(shí)際問題的應(yīng)用學(xué)科。2、機(jī)械工程學(xué)科的戰(zhàn)略地位：錢先生說過：“技術(shù)科學(xué)是人類認(rèn)知的一個(gè)新部門?！弊?為一門技術(shù)科學(xué)，機(jī)械工程學(xué)科以自然科學(xué)為基礎(chǔ)，研究人造的機(jī)械系統(tǒng)與制造過程的結(jié)構(gòu) 組成、能量傳遞與轉(zhuǎn)換、構(gòu)件與產(chǎn)品的幾何與物理演變、系統(tǒng)與過程的調(diào)控、功能形成與運(yùn) 行可靠性等，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建機(jī)械與制造工程中共性和核心技術(shù)的基本原理和方法。機(jī)械 工程師連接自然科學(xué)與工程行為的橋梁。機(jī)械工程學(xué)科的重要戰(zhàn)略意義主

3、要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：（1）機(jī)械工程學(xué)科為滿足國(guó)家目標(biāo)的物質(zhì)需求基礎(chǔ)提供技術(shù)科學(xué)支持。例如：為可再 生能源的社會(huì)應(yīng)用提供產(chǎn)業(yè)裝備解決方案；為社會(huì)創(chuàng)造人性化智能化和時(shí)空高效化的產(chǎn)品； 為國(guó)家安全、國(guó)防裝備性能的極端化提供制造科學(xué)支撐等（2）機(jī)械工程學(xué)科的突破將催生中的社會(huì)經(jīng)濟(jì)變革。機(jī)械與制造科學(xué)創(chuàng)造了 18、19 世紀(jì)的諸多奇跡，最為突出的例如引發(fā)第一次工業(yè)革命的蒸汽機(jī)的發(fā)明、的二次工業(yè)革命中 透平發(fā)電機(jī)的應(yīng)用等。時(shí)至今日，社會(huì)需求的產(chǎn)品已遠(yuǎn)非傳統(tǒng)制造可以獲取，需要新的制造 原理的出現(xiàn)。在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的今天，人類智慧往往是在高度豐富的知識(shí)交匯和碰撞中 冒出火花，重大工程技術(shù)的變革毋庸置疑是源

4、自于基礎(chǔ)科學(xué)和工程科學(xué)的新發(fā)現(xiàn)。當(dāng)今制造 科學(xué)與現(xiàn)代物理、化學(xué)的深度融合正不斷創(chuàng)造著新的制造原理和技術(shù)。（3）機(jī)械工程學(xué)科拓寬自然科學(xué)研究的視野和領(lǐng)域，并為之提供有效的研究途徑。機(jī) 械工程學(xué)科的發(fā)展對(duì)自然科學(xué)研究有重要的支持和促進(jìn)作用，為物理、化學(xué)、生物等自然科 學(xué)拓寬了研究領(lǐng)域和視野，乃至催生新的學(xué)科，并為自然科學(xué)試驗(yàn)提供精密儀器的高精度技 術(shù)和設(shè)備保障。二、機(jī)械工程學(xué)科的總體發(fā)展趨勢(shì)在產(chǎn)品的服役功能與工作品質(zhì)不斷向新的極端發(fā)展的挑戰(zhàn)下，需要發(fā)現(xiàn)更深層次的制造 原理和更知識(shí)化的智能制造技術(shù)。當(dāng)今機(jī)械工程學(xué)科發(fā)展有如下幾個(gè)趨勢(shì)：1、運(yùn)用新的制造資源和基礎(chǔ)理論發(fā)掘新的制造原理與方法，發(fā)展新概念產(chǎn)

5、品。2、從多尺度演變以及界面效應(yīng)傳遞的角度探索零件幾何結(jié)構(gòu)與物理性能的高精度 調(diào)控原理與方法，發(fā)展高效率、高品質(zhì)的制造技術(shù)。3、以系統(tǒng)的事業(yè)研究復(fù)雜制造過程和裝備的集成科學(xué)，拓展裝備設(shè)計(jì)理論。4、以信息流全局監(jiān)控為基本線索實(shí)現(xiàn)制造與服役過程的精確調(diào)控，實(shí)現(xiàn)智能化制造。三、機(jī)械工程學(xué)科的研究特點(diǎn)及研究領(lǐng)域1、與其他自然科學(xué)與其他工程科學(xué)高度交叉、融合，開辟學(xué)科新方向。機(jī)械工程學(xué)與自 然學(xué)科高度交叉，探索新的制造原理和裝備功能；業(yè)余多類工程學(xué)科相交叉，追求高的功能品質(zhì)。2、技術(shù)突破與科學(xué)發(fā)展高度依存、互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)制造尺度、精度與品質(zhì)的跨越。追求自然 科學(xué)規(guī)律的探索的精確過程與工藝模型，實(shí)現(xiàn)高精度高性

6、能的數(shù)字化制造，是當(dāng)今機(jī)械工程 學(xué)科的一個(gè)鮮明的特色。3、探索機(jī)械制造與集成科學(xué)。當(dāng)今的機(jī)械工程學(xué)科正在形成“復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造的 集成科學(xué)”，將“機(jī)械設(shè)計(jì)”提升到系統(tǒng)集成科學(xué)的層面，擴(kuò)大與深化了設(shè)計(jì)的科學(xué)內(nèi)容， 如界面科學(xué)、非線性科學(xué)、信息傳遞科學(xué)等；有傳統(tǒng)的注重“設(shè)計(jì)方法”變革為涉及“機(jī)械” 載有的物理過程如何經(jīng)集成而演化成機(jī)械功能。機(jī)械工程學(xué)科主要研究領(lǐng)域有：機(jī)構(gòu)學(xué)與機(jī)械振動(dòng)學(xué)；機(jī)械驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)學(xué)；復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng) 的集成科學(xué)；零件與結(jié)構(gòu)的服役安全與實(shí)效科學(xué)；機(jī)械表面界面科學(xué)與摩擦學(xué)；生物制造與 仿生制造科學(xué);高性能成型制造科學(xué);高能屬于特種能場(chǎng)制造科學(xué);高精度數(shù)字化制造科學(xué)； 機(jī)械的制造與

7、運(yùn)行參數(shù)測(cè)量科學(xué)；微、納制造科學(xué)技術(shù)等。四、機(jī)械表面界面科學(xué)與摩擦學(xué)1、機(jī)械表面界面科學(xué)與摩擦學(xué)的概況：機(jī)械表面界面是指在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和生物 機(jī)械領(lǐng)域中存在的工程表面與界面，發(fā)生在機(jī)械表面和界面的物理化學(xué)變化具有特殊性和復(fù) 雜性，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的功能性能都有重要影響。機(jī)械表面界面科學(xué)不僅研究表面效應(yīng)和界面效 應(yīng)，而且研究利用機(jī)械改造對(duì)其優(yōu)化調(diào)控的工程技術(shù)。摩擦學(xué)是一門與機(jī)械表面界面科學(xué)密 切相關(guān)的學(xué)科，主要研究相互運(yùn)動(dòng)表面之間的摩擦、磨損和潤(rùn)滑以及相關(guān)問題與實(shí)踐的科學(xué) 技術(shù)。機(jī)械表面與界面科學(xué)與摩擦學(xué)的研究范圍都很廣泛，涉及機(jī)械零部件、系統(tǒng)和裝備中 的表面界面行為與性能設(shè)計(jì)、機(jī)械制造和微納制

8、造中的表面界面行為與控制、生物及仿生機(jī) 械系統(tǒng)中表面界面特性與規(guī)律，此外，還涉及到自然界和人類日常生活中許多表面界面現(xiàn)象。 機(jī)械表面界面科學(xué)與摩擦學(xué)的研究成果可以用于改善機(jī)械系統(tǒng)的工作效率、延長(zhǎng)使用壽命、 提高機(jī)械系統(tǒng)這裝備的可靠性，為人類解決社會(huì)發(fā)展面臨的資源短缺、能源枯竭、環(huán)境污染、 和健康問題提供有效的解決方案。隨著摩擦學(xué)研究從宏觀向微觀領(lǐng)域的不斷深入，表面和界 面效應(yīng)越來越突出，從而催生出一個(gè)新的更寬廣的研究領(lǐng)域一機(jī)械表面界面科學(xué)，成為新的 學(xué)科生長(zhǎng)點(diǎn)。當(dāng)前，本來領(lǐng)域面臨這一系列重要的科學(xué)問題需要解決，主要包括：機(jī)械中的 表面界面效應(yīng)及其跨尺度行為、摩擦表面能量耗散與其有效利用原理等。

9、2、機(jī)械表面界面科學(xué)與摩擦學(xué)在科學(xué)發(fā)展、國(guó)民社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要意義：機(jī)械表面 界面科學(xué)與摩擦學(xué)在解決能源、資源、環(huán)境和人類健康等問題上能夠發(fā)揮重大作用。據(jù)估計(jì)， 世界三分二年之一的總能源被一種或多種形式的摩擦所消耗，摩擦熱也加速了全球氣候變暖 的速度。機(jī)械表面界面科學(xué)與摩擦學(xué)的成果發(fā)展可以有效的解決能量流失、能源浪費(fèi)的問題， 從而帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。除了經(jīng)濟(jì)效益外，機(jī)械表面與界面科學(xué)研究對(duì)于減緩資源枯竭與 環(huán)境破壞也有著重要的作用，比如通過改進(jìn)表面技術(shù)和改進(jìn)摩擦設(shè)計(jì)可以延長(zhǎng)機(jī)械的使用壽 命，減小維修成本和降低維修次數(shù)；通過表面自主修復(fù)技術(shù)可以減小汽車尾氣的排放；通過 研發(fā)高效水基礎(chǔ)潤(rùn)滑劑、空

10、氣潤(rùn)滑和固體潤(rùn)滑技術(shù)可以逐步取代礦物油潤(rùn)滑劑，減輕對(duì)石油 的依賴和對(duì)環(huán)境的污染等。3、機(jī)械表面界面科學(xué)與摩擦學(xué)在未來5-10年的研究前沿與重大科學(xué)問題：（1）機(jī)械中表面界面效應(yīng)及其跨尺度行為：對(duì)于表面界面效應(yīng)的研究，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究 領(lǐng)域突顯若干熱點(diǎn)問題和主要挑戰(zhàn)，其中有：表面和界面是否存在真實(shí)結(jié)構(gòu)分子建立在 表面行為中如何起作用多場(chǎng)耦合下表面和界面性質(zhì)如何改變表面界面行為的跨尺度理 論如何表征表面和界面行為能否實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制。（2）摩擦表面能量耗散機(jī)制與有效利用原理：主要熱點(diǎn)問題包括摩擦的本源以及摩擦 量如何定量描述？摩擦能以何種物理機(jī)制耗散？磨屑生成的能量或力學(xué)條件是什么？如 何描述磨粒和磨屑

11、在摩擦表面的運(yùn)動(dòng)及表面間的相互作用？如何讓定量分析磨損產(chǎn)生和發(fā) 展的動(dòng)力學(xué)過程？潤(rùn)滑劑分子在納米間隙的受限空間內(nèi)和高壓高剪切條件下的分子結(jié)構(gòu)、 相態(tài)如何變化？潤(rùn)滑劑分子與表面間的物理和化學(xué)作用機(jī)理是什么？邊界潤(rùn)滑膜剪切強(qiáng)度 與其分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系等。五、微、納制造科學(xué)與技術(shù)1、微、納制造技術(shù)概述：微、納制造科學(xué)與技術(shù)指研究特征尺度在微米、納米并具有特 定的功能器件與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造的一門綜合交叉學(xué)科，研究?jī)?nèi)容涉及微、納器件與系統(tǒng)設(shè) 計(jì)加工測(cè)試封裝測(cè)試等。微、納制造的發(fā)展不僅將人類的制造能力拓展到微、納米領(lǐng)域，也 將這門傳統(tǒng)學(xué)科與基礎(chǔ)學(xué)科的前沿研究緊密結(jié)合到一起，進(jìn)而成為一門應(yīng)用性基礎(chǔ)理論學(xué)科; 其

12、次，隨著制造能力的提高與研究的對(duì)象的拓展，微、納制造學(xué)科與其他工程學(xué)科的結(jié)合也 日益密切，為其他工程學(xué)科的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，因此，也成為引領(lǐng)工程技術(shù)領(lǐng) 域發(fā)展的前沿技術(shù)。2、微、納制造科學(xué)與技術(shù)的研究范圍（1）微制造：微制造主要指MEMS微加工和機(jī)械微加工的制造。MEMS微加工只有微電子技 術(shù)發(fā)展起來的批量微加工技術(shù)，主要包括硅表面微加工技術(shù)和非硅微加工技術(shù)，包括硅干法 深刻蝕技術(shù)、硅表面微加工技術(shù)、硅濕法各向異性刻蝕技術(shù)、鍵合技術(shù)、LIGA技術(shù)、UV-LIGA 技術(shù)、及其封裝技術(shù)等。MEMS加工材料以硅、金屬、塑料等材料的二維或準(zhǔn)三位加工為主。 其特點(diǎn)是以微電子及其相關(guān)技術(shù)為核心技

13、術(shù)，批量制造，易于電子電路集成。機(jī)械微加工是 指采用機(jī)械加工、特種加工技術(shù)、成型技術(shù)等傳統(tǒng)技術(shù)形成的微加工技術(shù)從加工對(duì)象的尺度 上來講，機(jī)械微加工屬于介觀制造技術(shù)，加工材料不受限制，可加工真三維曲面。其微加工 工藝包括微細(xì)磨削、微細(xì)車削、微細(xì)銑削、微細(xì)鉆削、微沖壓和微成型等。（2）納制造：納米制造是構(gòu)建適用于跨尺度集成的、可提供具有特定功能產(chǎn)品功能和服務(wù) 的納米尺度維度的特征、結(jié)構(gòu)、器件和系統(tǒng)的制造過程。它包括納米壓印、離子束直寫刻蝕、 電子束直寫刻蝕自組裝等制造過程。微、納制造科學(xué)與技術(shù)的研究范圍主要包括;微、納設(shè)計(jì)與器件原理；微加工；納米加工； 微、納復(fù)合加工；微、納操作裝配與封裝；微、納

14、測(cè)試與表征；微、納制造裝備新原理7 個(gè)主要方面。3、微、納制造科學(xué)與技術(shù)的重要意義（1）對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展有著重要的帶動(dòng)作用：微納制造技術(shù)在汽車、石化和通信等 行業(yè)得到廣泛地應(yīng)用，目前向環(huán)境與安全、醫(yī)療與衛(wèi)生方面迅速拓展，并在新能源裝備、半 導(dǎo)體照明工程、柔性電子和光電子等信息器件方面具有重要的應(yīng)用前景。（2）對(duì)制造科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用：維娜制造科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是制造從 宏觀進(jìn)入微觀，不僅拓寬了制造技術(shù)的尺度范圍，豐富了制造技術(shù)，也對(duì)傳統(tǒng)制造的基礎(chǔ)科 學(xué)問題提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。微納制造面臨制造對(duì)象的幾何尺度是微納尺度，隨著尺寸的減小， 納米尺寸效應(yīng)不僅影響了自身結(jié)構(gòu)性質(zhì)，也對(duì)器件加

15、工過程和工作載荷作用相應(yīng)規(guī)律和器件 與環(huán)境的相互作用規(guī)律產(chǎn)生了重要影響；其次，隨著器件集成度的提高和不同能量場(chǎng)的耦合 作用，多場(chǎng)耦合問題、電磁兼容問題生物相容性問題都在影響著器件工作性能和工作環(huán)境。 因此，微納制造業(yè)促進(jìn)了制造科學(xué)的相關(guān)領(lǐng)域的前沿研究，對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)的研究提出了許多理 論挑戰(zhàn)。如納米效應(yīng)、表面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)量子隧穿效應(yīng)和耦合效應(yīng)，都要求將基礎(chǔ)理論的 前沿成果應(yīng)用到微納器件的設(shè)計(jì)與制造中，同時(shí)，也豐富了相關(guān)基礎(chǔ)理論學(xué)科的研究?jī)?nèi)容和 催生了一系列新學(xué)科。4、微、納制造科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展主要方向（1）微納設(shè)計(jì)與器件原理：微納設(shè)計(jì)理論與方法。主要反映在：多場(chǎng)耦合建模與仿真、 跨微納尺度的理論和方法、微納制造領(lǐng)域中非硅工藝等三個(gè)方面。微納器件與系統(tǒng);當(dāng)今 微納器件與系統(tǒng)已發(fā)展出基于各種原理和方法的微傳感器、微執(zhí)行器、光MEMS、射頻MEMS、 生物MEMS、微流控芯片、能源MEMS、微光電器件等。（2）微加工：MEMS微加工技術(shù)是由微電子技術(shù)發(fā)展起來的批量微加工技術(shù)，主要包括微 加工技術(shù)和LIGA技術(shù)。硅微加工技術(shù)：硅微加工技術(shù)主要包括硅表面為加工技術(shù)和體硅 微加工技術(shù)LIGA技術(shù)：加工厚度可達(dá)2mm，深寬比可達(dá)50100.當(dāng)今研究熱點(diǎn)在于不用同 步輻射的準(zhǔn)LIGA技術(shù)。（3）納米加工：納米加工就是通過大規(guī)模平行過程和自組裝模式，集成具由納米到微米尺