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2020/8/181机械科学的前沿与发展主讲：左敦稳，周燕飞2020/8/182目录1.制造业与制造技术的重大意义2.以微见著——精密化是机械制造发展的核心3.以综见著——自动化是机械制造发展的途径4.以网见著——信息化是机械制造发展的急需5.以智见著——智能化是机械制造发展的方向6.制造业与制造技术的创新7.从制造大国走向制造强国2020/8/183制造业与制造技术的重大意义2020/8/184制造业创造了人类1）人从猿进化而来,人猿分离,是由于人学会双足行走和用手制造并使用工具。2）中国的元谋人（170万年前的南方古猿）、非洲人早在160万年前即开始用火，石料开采和加工，形成了原始制造业。饮食改善促进了脑的发展。200万年前的猿人脑容量约为700毫升，100万年前的直立人脑容量约为1000毫升，50万年前增加到1200毫升，1929年发现的57万年前的北京（直立）猿人为1050毫升，而现代人的脑容量平均为1450毫升，现代人的大脑皮层褶皱面积为1700-2200平方厘米，是黑猩猩的3倍。3）恩格斯指出：“直立和劳动创造了人类，而劳动是从制造工具开始的。”2020/8/185制造业不是夕阳工业(1)1.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。2020/8/186制造业不是夕阳工业(2)2.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”。2020/8/187制造业不是夕阳工业(3)3.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。2020/8/188制造业不是夕阳工业(4)4.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。2020/8/189制造业是产业革命的主力军（1）第一次产业革命：1733-18781）又称为：蒸汽革命。2）产业革命的标志：瓦特发明的蒸汽机。3）英国的制造业孕育和实现了瓦特的发明4）制造业和瓦特的发明推动了热力学理论的诞生。2020/8/1810制造业是产业革命的主力军（2）第二次产业革命：1879-19451）又称为：电气革命。2）产业革命的标志：电灯（爱迪生）、电话（贝尔）、电机（西门子）等电气化产品。3）制造业肇始了电的应用，而后才有麦克斯韦电动力学理论的诞生。4）麦克斯韦电动力学理论推动了20世纪初开始的无线电、微波、雷达、合成孔径、微波成像、卫星通信、宇宙微波探测等技术的发展。5）牛顿力学和电动力学又为量子力学的发展指引了道路，导致了量子场论的创立。2020/8/1811制造业是产业革命的主力军（3）第三次产业革命：1945-19721）又称为：电子（原子）革命。2）产业革命的标志：原子弹（1945）、电子计算机（1946）、晶体管（1948）、集成电路、微电子技术等。3）微电子制造技术开创了全新的信息时代。2020/8/1812制造业是产业革命的主力军（4）第四次产业革命：1973-1）又称为：高新技术产业革命。2）产业革命的标志：众多高新技术产品，如微电子产品、电脑、新一代通信产品、新一代汽车、磁悬浮列车、新一代飞机、机器人、生物工程产品、新一代药物、绿色食品、转基因产品等等。3）微器件制造工艺，如拉单晶、掺杂、扩散、离子注入、外延、溅射、化学沉积（CVD）、光刻、表面贴装、自动化组装、进而到纳米器件制造工艺将把高新技术产业革命推向顶峰。2020/8/181321世纪科学技术发展总趋势(1)一、中心科学技术的转移1.信息科学技术目前是发展高峰期，预计其中心科学技术的地位还可持续四十年。2.生命科学技术现在已开始注重其发展与应用，预计21世纪30年代开始逐步转变为中心科学技术。3.认知科学技术智能化趋势现已显露，预计21世纪70年代开始将成为科学技术发展的中心。2020/8/181421世纪科学技术发展总趋势(2)二、世界科技中心（地区或国家）的转移中国（公元3世纪—公元13世纪)→意大利（1540年—1610年）→英国（1660年—1730年）→法国（1770年—1830年）→德国（1810年—1920年）→美国（1920年—）→可能转向东方（日本、中国）2020/8/1815高技术及其产业的领域(1)信息科学技术（包括微电子、光电子科学技术）(2)生物科学技术（包括生命科学技术）(3)新能源科学技术（包括核能科学技术）(4)新材料科学技术（包括纳米科学技术）(5)环境科学技术（包括地球科学技术）(6)航空航天科学技术（包括军事科学技术）(7)海洋科学技术（包括地球科学技术）(8)先进制造科学技术（包括微机电系统科学技术）(9)管理科学技术（包括软科学技术）(10)认知科学技术（包括人脑和智能系统科学技术）2020/8/181621世纪改变人类的科学与技术科学技术物质科学信息技术生命科学生物技术纳米技术能源技术2020/8/1817从科学发现到技术发明科学发现年份技术发明年份孕育过程电磁感应原理1831发电机187241年内燃机原理1862汽油内燃机188321年电磁波通信原理1895第一个公众广播电台192126年喷气推进原理1906涡轮喷气发动机193529年雷达原理1925制出雷达193510年青霉素原理1928制出青霉素194315年铀核裂变1938制出原子弹19457年发现半导体1948半导体收音机19546年集成电路设计思想1952第一个单片集成电路19597年光纤通信原理1966光纤电缆19704年无线移动通信设想1974蜂窝移动电话19784年多媒体设想1987多媒体电脑19914年新一代设计芯片90年代新一代芯片实现90年代18个月（莫乐定律）2020/8/181820世纪改变世界的重要机电产品序产品发明时间(年)发明者及备注1汽车18851903德国本茨美国福特汽车公司建立2飞机1903美国莱特兄弟3火箭1903俄国齐奥尔科夫斯基4电冰箱1917美国弗里基德亚公司5电影机1919(黑白)1936(彩色)德国福格特德国6电视机1927(黑白)1940(彩色)美国贝尔电话研究所美国7喷气发动机1937英国惠特尔8原子弹1945.7.161945.8.61945.8.9美国新墨西哥州阿拉莫哥多沙漠爆炸了当量为1.9万吨TNT的原子弹日本广岛日本长崎9计算机1946美国莫切利与埃克特发明ENIAC电子管计算机10晶体管1948美国肖克利11核电站1951美国12数控机床1951美国麻省理工学院13氢弹1952美国特勒2020/8/181914机器人1954美国戴沃尔获第一个工业机器人专利15人造卫星1957苏联16宇宙飞船1961苏联加加林17飞船登月1969.7美国阿波罗1118载人航天飞机1977美国海斯富勒顿19磁悬浮列车1965日本时速400--500公里20光纤通信设备1968美国21芯片19711999美国Intel公司微处理器4004Intel的奔腾III芯片,已达950万晶体管/片22扫描隧道显微镜1986日本工业技术院23掌上电脑1992美国Apple公司推出Newton系列24手机90年代初美国25信息高速公路1993美国政府提出NationalInformationInfrastructure---(NII)计划2020/8/1820中国制造业的成就(1)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8043万2020/8/1821中国制造业的成就(2)改革开放20年来中国制造业的进步：1）引进国外先进技术2500多项，占全国的1/3以上。近几年发展的新产品，50%达到80年代中后期的世界水平。2）一些重要产品的年生产能力已跃居世界前列，如汽车280万辆以上（其中轿车120万辆以上），大中型发电设备1200万千瓦以上（火电1000万千瓦，水电200万千瓦），大中型拖拉机11万台以上，金切机床10万台以上。2020/8/1822中国制造业的成就(3)改革开放20年来中国制造业的进步：3）我国已成为世界最大的服装纺织品出口国；与日本、马来西亚和韩国并称世界消费类电子产品四大生产国。4）成功开发生产了运七、运八、新舟60等支线飞机。5）一些新产品的技术水平已达世界领先或先进水平，如沈阳机床集团的电主轴高速卧式加工中心、激光切割机床，沈阳变压器厂的50万伏超高压变压器，黎明航发集团的中国第一台拥有完全知识产权的航空发动机、燃气轮机，沈阳新松机器人自动化有限公司的6000米水下机器人等产品。2020/8/1823制造业的重大意义(1)1）在发达国家中,制造业创造了约60%的社会财富、约45%的国民经济收入。2）据统计，美国68%的社会财富来自于制造业。3）CIRP在1999年的报告中指出：在国家生产力的构成中，制造技术的作用一般占55%~65%。4）在许多国家的科技发展计划中，先进制造技术都被列为优先发展的科技。2020/8/1824制造业的重大意义(2)“十五”规划中确定的八个最具战略影响的领域:1)信息技术2)生物技术3)新材料技术4)先进制造与自动化技术5)资源环境技术6)航空航天技术7)能源技术8)先进防御技术，其中，先进制造与自动化技术又是实现各种高新技术的保障技术。2020/8/1825制造业的重大意义(3)2020/8/1826制造业的重大意义(4)人大常委会副委员长宋健指出：“制造业是实现现代化工业的水之源、木之本，是实现工业化的保障和原动力，是国家实力的脊梁，是支持共和国大厦的基石。没有强大制造能力的国家永远成不了经济强国。”2020/8/1828知识经济与制造业2020/8/1829以微见著—精密化是机械制造发展的核心—2020/8/183120世纪的三个重大科学成就都是“以微见著”(1)1.量子力学1900年，普朗克依据黑体辐射实验而提出量子假说，后与玻尔、薛定谔等人于1925年建立量子力学。解决了波粒二重性问题：在原子尺度下，粒子的能量与波动的频率成正比，动量与波长成反比。2.相对论1)狭义相对论：1905年，爱因斯坦在迈克尔逊测量光速的基础上，提出了狭义相对论，预示了原子能的巨大潜力：E=mc2E–能量，m–质量，c–光速2)广义相对论：1915年提出广义相对论，揭示了时间、空间、物质和运动的普遍规律。2020/8/183220世纪的三个重大科学成就都是“以微见著”(2)3.DNA（脱氧核糖核酸）双螺旋结构1)1953年沃森和克里克发现生物大分子是由DNA组成，其结构是双螺旋结构，遗传密码存在于DNA中（称为基因）。2)197