二十一世纪制造科学与技术发展趋势（一）

二十一世纪制造科学与技术发展趋势机电工程学院哈尔滨工业大学精密工程研究所内容一.制造科学与技术研究的重要性二.制造科学与技术的发展趋势三.纳米制造的迫切性四.精密工程研究所工作简介一.制造科学与技术研究的重要性美国的教训1.上个世纪70年代,美国不重视制造业,把制造业称为“夕阳工业”,结果导致美国80年代的经济衰退。2.80年代后期，美国的一些国会议员、政府要员纷纷要求政府出面，协调和支持制造产业的发展，1991年，布什政府期间，美国白宫科学技术政策办公室发表了总数为22项的美国国家关键技术，其中制造技术占4项，标志着美国科技政策的转变。3.克林顿上台后，对制造业大力支持，他把先进制造技术列为六大国防关键技术之首。结果美国在机械工业、汽车工业、航空工业及信息产业等方面取得了明显的进展，使美国的经济连续8年取得了2-3%的增长率，而且还同时保持低通胀率和低失业率。这就是克林顿虽发生丑闻而未被弹劾的主要原因。日本的经验1.在上个世纪70-80年代，日本非常重视制造业，特别大抓了汽车制造和微电子制造，结果日本的汽车和家用电器占领了全世界的市场，特别是大举进入了美国市场。2.日本的微电子芯片成为美国高技术产品的关键元件。1991年海湾战争结束后，日本人说美国赢得这场战争是依靠的日本的芯片，是“日本的芯片打败了伊拉克的钢片”。东南亚经济危机的启示1.1998年爆发的动南亚经济危机，从另一个侧面反映了一个国家发展制造业的重要。一个国家，如果把经济的基础放在股票、旅游、金融、房地产、服务业上，而无自己的制造业，这个国家的经济就容易形成泡沫经济，一有风吹草动就会产生经济危机。2.新加坡、台湾都有自己的制造业，因此受经济危机的影响小一些。瑞士依靠什么使人均产值居世界第一？1.瑞士是一个仅700万人口的小国，但瑞士的制造业十分发达，瑞士的精密机械产品的出口量是我国的8倍，瑞士的手表世界第一，连小小的军刀，也风靡全世界。2.现在瑞士的年人均国民生产总值达到4.3万美元以上,居世界第一。2001年中国工程院的调查结论:1.中国制造业占国民生产总值的1/32.占整个工业生产的4/53.为国家财政提供1/3以上的收入4.贡献出口总额的90%5.就业人员8043万制造业的重要意义制造业处于国家工业的中心地位国民经济持续发展的基础现代化建设的发动机和动力源在国际竞争中取胜的法宝技术进步的主要舞台提高人均收入的财源国防装备和国家安全的重要保障发展现代文明的物质基础二.制造科学与技术的四大发展趋势1.绿色制造是制造科技的发展方向2.与高新技术相互融合，制造技术发展日新月异3.信息技术大大促进和提升了制造技术水平4.极端条件下制造是制造技术发展的重要领域1.绿色制造是制造科技的发展方向随着社会的发展，机电产品制造业成为最大的资源使用者，也是最大的环境污染源。据统计，全世界制造业每年约产生55亿吨无害废物和7亿吨有害废物，占全球污染物总量的70%以上。全世界1996年有2400万辆汽车报废，2000年有2000万台计算机被淘汰。我国在2003年达到报废标准的汽车超过140万辆，家用电器2000余万台。制造业的正负两方面.产品更新换代加快资源短缺问题突出68年177年26年22年年限46年278年92年78年中国机电产品报废量(2003年)铁铝铜锌全球重要金属可采年限(2000年)镍铬锰钨140万辆1500万台500万台数量汽车家电电脑面对日趋严峻的资源和环境约束，世界各国都在制订可持续发展规划。德国制订了《产品回收法规》，日本等国提出了减少、再利用及再循环（Reduce，Reuse，Recycle）的战略，美国提出了“再制造”及“无废弃物制造”（Waste-FreeProcess）的新理念。欧盟将颁布“汽车材料回收”法规，从2005年起，要求新生产的汽车材料的85%能再利用。美军是再制造的最大受益者。通过再制造,不但节约了装备制造费用,而且延长了装备寿命，提高了装备的维修能力。B-52轰炸机是美国于1961-1962年定型生产的，1980年、1996年两次进行再制造改造，改造后的性能得到大幅度提高，预计服役年限可到2030年。2.与高新技术相互融合，制造技术发展日新月异科学技术特别是生物、纳米、新能源和新材料等高技术的迅猛发展，对制造科技带来了深刻的变化。制造业是高技术的重要载体；高技术又为制造业前瞻性发展提供了技术支持。（1）生物制造Bio-Plotter细胞胶联系统（2）新材料汽车的轻量化及精密化美国要求汽车工业到2003年油耗降为每100公里3立升；降低10%汽车重量提高热效率7%及降低污染10%；美国新一代汽车研究计划的目标是要求车身、车架减轻重量50%，而动力系统减轻重量10%航空、航天及军事装备的轻量化及精密化美国部队有运载车250000辆，拖车110000辆。和平时期：每加仑油10美元战争年代：每加仑油100-400美元3.信息技术促进和提升制造技术水平信息技术与制造技术相融合，将进一步给设计与制造技术带来深刻的，甚至是革命性的变化。更好、更快、更省、更可靠地制造出创新产品。根据美国科学研究工程技术委员会的测算：模拟仿真可提高产品质量5~15倍增加材料利用率25%降低工程技术成本13%~30%降低人工成本5%~20%增加投入设备的利用率30%~60%缩短产品设计和试制周期30%~60%增加分析问题广度和深度的能力3~3.5倍等计算机模拟仿真研究的目标：多尺度、多学科、多功能、高精度及高效率4.极端制造是制造技术发展的重要领域制造空天飞行器、超常规动力装备、超大型冶金和石油化工装备等极大尺寸和极强功能的重大装备；制造微纳电子器件、微纳光机电系统等极小尺度和极高精度的产品。（1）极小尺度微纳制造（2）极大尺寸高性能构件强能场制造精度（回弹）：1%残余应力：0.01σ晶粒度：30~50μm各向同性：0.1%零件变形抗力：16万吨飞行高度4nm速度梯度1010/s粗糙度0.5Å波纹度1Å磁存储密度：60500-1000Gb/in2集成电路线宽：9050nm制造难点：原子级平整表面制造特殊功能表面制备纳米－微米形状加工（3）极高精度（4）大型构件的精密制造（5）高速、高精密制造芯片上引线数目的增加趋势—近期芯片上引线数目的增加趋势—远期200820112014Lowcost160-580201-730254-920Handheld256-736322-927406-1167Costperformance740-1893932-25891174-3591Highperformance443762348758Harsh40-48040-60440-761Memory48-18248-20048-220三峡水轮机5.我国中长期规划目标网络化、协同化、开放式复杂机电产品创新设计理论与技术重大工程中的特大型及关键零件的制造技术与科学精密及超精密制造技术与智能化装备基于模拟仿真的信息化、数字化制造技术与科学亚微米到纳米级的微细制造技术与科学生物制造技术与科学绿色制造技术与科学（将渗透在以上科技内容中）废旧产品再制造理论和关键技术纳米技术简介1.什么是纳米技术？纳米是什么？1nm=10-3um1nm=10-9m纳米是个长度单位。2.纳米科学与技术定义纳米技术是20世纪80年代末期刚刚诞生并正在迅速崛起的用原子和分子制造新物质的技术，是研究尺寸范围在0.1-100nm之间的物质的组成。3.纳米技术发展费曼首先提出想法：1959年12月谷口纪男首先命名：1974年STM和SPM的发明二十世纪90年代迅速发展FeedbackLoopLaserPhotodiodeSampleYXZCantileverDisplayTopographyX-YScanControlScannerAFM工作原理图STM4.纳米科学技术内涵纳米体系物理学纳米化学纳米电子学纳米加工学纳米生物学纳米材料学纳米测量学基础支撑制高点5.纳米科学的重要意义使人类认识产生革命性变化碳纳米管碳纳米管的性能①网状石墨卷成筒②尺寸:1个多纳米~几十个纳米③出现了一些奇异特性·强度是钢的100倍·重量是钢的1/6·具有金属和半导体的两重属性·极好的导电性及电流密度1亿安/cm2·极好的储氢性能,可以作汽车燃料电池·可以用来称病毒重量.2×10-16克·纳米电缆,10nm直径碳管外仓氧化硅绝缘体·我国在世界领先,北大彭练矛可作出直径.33nm,超过日本0.4nm.纳米镊子的夹取新产业革命的主导技术纳米科技将引发一场新的工业革命IBM首席科学家阿姆斯特朗(Armstrong)：“相信纳米科技将在信息时代的下一阶段占中心地位，并发挥革命的作用,正如二十世纪七十年代初以来微纳米科技已经起的作用那样。”•德国显微技术学院院长沃尔夫冈.埃尔费尔德:“未来几乎所有现代化技术领域的革新与进步都离不开微纳米技术”•钱学森预言：“纳米和纳米以下结构是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次革命，从而是二十一世纪又一次产业革命。”三.从纳米技术发展看纳米制造的迫切性1、制造业是国民经济的支柱产业，但其发展必须满足科学进步时代的需求世界产业革命的历史第一次产业革命18世纪60年代蒸汽机(英国)机械化第二次产业革命19世纪50年代内燃机、电机(德国)电气化第三次产业革命20世纪70年代集成电路(美国等)信息化第四次产业革命21世纪中叶纳米科技(包括中国)？2、纳米技术发展的需求2.1纳电子器件和分子电子器件的发展情况（1）实例①碳纳米管三极管单电子晶体管单电子晶体管（续）分子开关有机分子晶体管分子共振隧穿晶体管分子晶体管分子晶体管（续）分子存储器（2）微电子，纳电子，分子电子器件比较（3）纳电子制造已提到日程上美国2001年科学促进会宣布：再用5～10年纳电子技术就会改变计算机业的发展走向。今后发展主要问题1)如何将上万亿的纳电子元件组成系统2)纳电子设备与微电子设备如何集成在一起3)提高分子间的电解除和电传输性能4)提高生产率和重复精度2.2纳米材料技术发展趋势（1）从人类使用主要工具材料看趋势用特征工具材料描述人类社会经历的时代•碳是构成有机化合物的基本元素，也是构成生物体的基本材料，是分子电子器件的主要制作材料。（2）从纳米材料研究历史看趋势1990年以前纳米颗粒与快体1990－1994纳米复合材料与物理探索1994－至今纳米组装和人工组装纳米体系（3）现在纳米材料的研究也需要制造技术参与彩蝶翅膀结构图新型微孔晶体－光子晶体（1987年贝尔通讯研究中心的雅布洛罗维奇用4年钻了五千多万个孔，没能做出光学晶体。又过几周，因借鉴钻石四面体结构，加工出光学半导体。）2.3纳米生物学的发展趋势（1）生物马达——三磷酸腺苷酶（ATP）（镍螺旋浆：Ф150nm，750nm长，中柱：Ф80nm，长200nm，系统1000nm。以8转/秒旋转）（2）生物组装纳米生物为纳米制造技术提供了无限广阔的应用领域（3）生物计算机3、纳米制造•1.定义制造部件的特征尺寸在0.1~100nm量级的相关技术2.自下而上的制造方法——单原子操作2.1原子平移2.2单原子提取2.3单原子放置（1）铅笔法（２）蘸笔法3自上而下的制造方法3.1用AFM进行纳米加工3.2分子自组装膜板膜板用途3.3百足虫百足虫(续）3.4浸笔印刷3.5纳米印刷3.6飞秒激光Verdi-10泵浦Mira900F钛蓝宝石飞秒激光系统(长10μm,高7μm,具有亚衍射极限级精度，最高精度为120nm。曝光光源为锁模状下的钛蓝宝石激光（频率76MHz,波长780nm,脉冲宽度150飞秒）。3.7STM阳极氧化3.8纳米压印