1、1机械学科前沿讲座论文 2则以下是网友分享的关于机械学科前沿讲座论文的资料 2篇，希望对您有所帮助，就爱阅读感谢您的支持。西华大学机械电子工程学科前沿讲座论文（1）机械电子工程学科前沿讲座论文（1） PLC 在控制中的应用PLC 是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通用工业自动控制装置。具有控制功能强，可靠性高，使用灵活方便，易于扩展等优点而在冶金、交通、化工、电力等领域获得了广泛的应用，被成为现代工业技术的三大支柱之一。在传统机床的数控化改造中，越来越多地采用 PLC 作为控制器实现对机床电气控制系统的改造，其中对数控机床2典型执行元件步进电机的控制是
2、一个重要的内容。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。步进电机的功能模块可分为单片机系统、外围电路、PIC程序。其中步进电机与单片机的接口部件必须具备电压隔离和信息传递功能，能产生所需的不同的工作频率。步进电机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，必须使用专用的步进电动机驱动器，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。步进电机每步的精度 3%到 5%，而且不会将一步的误差积累到下一步，
3、有较好的位置精度和运动的重复性，电机旋转的角度正比于脉冲数，电机停转的时候具有最大的转矩，仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转，起停和反转响应性能好，电机的响应仅由数字输入脉冲确定，可以采用开环控制，使得电机的结构简单且成本容易控制，由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。步进电机也有其局限性，如果控制不当容易产生共振，难以运转到较高的转速，难以获得较大的转矩，在体积重量方面没有优势，能源利用率低，超过负载3时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声等。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步
4、进电机将会在更多的领域得到应用。步进电动机的发展已归结为单段式结构的磁阻式、混合式和爪极结构的永磁式三类。爪极电机价格便宜，性能指标不高，混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动机，由于混合式步进电动机具有控制功率小，运行平稳性较好而逐步处于主导地位。步进电机的发展趋势有继续沿着小型化的方向发展、改圆形电动机为方形电动机、对电动机进行综合设计和向五相和三相电动机方向发展四个大的趋势。随着 PLC 应用领域的不断拓宽，如何高效可靠的使用PLC 也成为其发展的重要因素。在不久的将来，PLC 会有更大的发展，产品的品种会更丰富、规格更齐全，通过完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需
5、求，PLC 作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业控制领域发挥越来越大的作用。（2）开放式数控系统数控系统是数字控制系统的简称，根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有4接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。通过利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和开关量。数控机床是现代科学技术的最前沿信息技术与传统机床相结合的产物，反映了一个国家制造技术的水平和工业水平。一个国家数控化率的高低已经成为衡量其机械工业技术水平的一个重要指标，在国外数控化率水平已达 20-30%。随着制造商对产
6、品复杂程度和精度的要求的提高和对产品生产成本的降低，对数控机床提出了更高的要求，而这种不断增高的要求主要不是针对机械系统的要求，而是对数控机床的控制设备数控系统提出的挑战。传统的数控系统因各制造商维护其市场份额，而做成专用计算机、专用操作系统和专用软件的封闭式体系结构。造成了数控系统结构复杂，缺乏兼容性且开发成本高等先天性缺陷。因此迫切需要一种新的数控系统来满足生产商日益增长的需求，以克服传统数控系统带来的不便。开放式数控机床应运而生。开放式数控系统的概念是美国在八十年代末提出的，它具有开放柔性高、成本低、升级扩展容易、投资风险性小和可以引入最新的 PC 软硬件技术等优点，是二十一世纪数控技术
7、的发展方向。美国电气电子工程师协会对于开放式5系统的定义是能够在多种平台上运行，可以和其他系统互操作，并能给用户提供一种统一风格的交互方式。通俗地说，开放式数控系统允许用户根据自己的需要进行选配和集成，更改和扩展系统的功能迅速适应不同的应用要求，而且，组成系统的各功能模块可以来源于不同的部件供应商并相互兼容。开放式数控系统应具有以下特征：模块化:包括数控功能模块化和系统结构模块化。前者指用户可以根据自己的要求选装所需要的数控功能，后者是指数控系统内实现各个功能的算法是可分离的、可替换的。标准化:开放是在一定的标准约束下进行的，各个公司开发的各种部件和功能模块必须符合这个标准，按这个标准生产的的
8、不同公司的产品可以拼装成一台集多家公司智慧的、功能完整的控制器。可再次开发:允许用户进行第二次开发，根据需要可方便地实现重构、编辑，以便实现一个系统多种用途。可移植：不同应用程序模块可运行于不同生产商提供的系统平台，同时系统软件也可运行于不同特性的硬件平台之上。因此，系统的功能软件应与设备无关，即应用统一的数据格式、控制机制，并且通过一致的设备接口，使各功能模块能运行于不同的硬件平台之上。6适应网络操作方式：开放式控制器应当考虑到迅速发展的网络技术及其在工业生产领域的应用，具有一种较好的通信和接口协议，一边各相对独立的功能模块通过通信实现信息交换，满足实时控制需要。开放体系结构是从软件到硬件，
9、从人机操作界面到底层控制内核的全方位开放。基于 PC 的开放式数控系统大致可分为 PC 嵌入 NC 型、NC 嵌入 PC 型、全软件型 NC 三种类型。开放式数控系统研究中还存在一些关键问题：需要制定一个开放式数控系统的制作协议，使控制器制造商和机床生产厂能实现广泛合作；需要实现系统硬件的模块化、标准化和系列化，并提高其可靠性和实时性；需要构造一种独立于硬件系统的软件平台，使系统有良好的功能扩展性；需要开发出一个优化系统软件，把各种优化技术集成在软件包中。目前，国际上与开放式数控研究最有代表性的仍是美国的 NGC 和 OMAC 计划、欧盟的 OSACA 计划以及日本的OSEC 计划，这三个计划
10、的发展基本上反映了国外开放性数控的发展现状。与国际先进水平相比，国内的开放式数控系统的研究还处于初级阶段。目前，在国内市场中，中、高档产品主要被进口产品占据，而在较抵挡的经济型数控机床市场我国的产品占据主要地位。随着国际学术界对开7放式数控系统研究的日益深入，我国的相关研究也越来越受到重视。经过多年的技术攻关，已经有一批产品和成果涌现出来。采用 Windows 系列操作系统作为开放式数控系统软件操作平台，界面友好、易操作；兼容性好软、硬件平台结构包容性大，具有更强的适应性及软件资源丰富性；智能化引进自适应控制技术，系统可自动调整有关参数，以达到系统运行的最优化；网络化，具有强大的通讯联网功能，
11、保证数控系统与标准网络（包括互联网）无缝连接，实现软硬件资源共享。全软件化，除了数控程序编辑、人机界面等上层数控功能用软件来实现外，还以应用软件的形式来代替运动控制（包括轴控制和机床逻辑控制）器等硬件系统，即实现在计算机主流操作系统上进行实时扩展，实现数控系统的全软件化。（3）单片机新技术单片机是微型计算机中的一种，是把微型计算机中的微处理器、存储器、I/O 接口、定时器/ 计数器、串行接口、中断系统等电路集成在一块集成电路芯片上形成的微型计算机。因而被称为单片微型计算机，简称为单片机。目前国际市场上 8 位、16 位单片机系列已有很多，但是，在国内使用较多的系列是 Intel 公司的产品，其
12、中又以8MCS-51 系列单片机应用尤为广泛，二十几年经久不衰，而且还在更进一步发展完善，价格越来越低，性能越来越好。单片机技术正以惊人的速度向前发展，就市场上已出现的单片机而言，其技术革新与进步主要表现为 CPU 的发展，片内存储器的发展，片内输入输出接口功能，单片机在工艺上的提高，片内固化应用软件和系统软件。单片机具有体积小，使用灵活、成本低、易于产品化、抗干扰能力强，可在各种恶劣环境下可靠地工作等特点。特别是它应用面广，控制能力强，使它在工业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到了广泛的应用。测控系统中的应用：制系统特别是工业控制系统的工作环境恶劣，各种干扰也强，
13、而且往往要求实时控制，故要求控制系统工作稳定、可靠、抗干扰能力强。单片机是最适宜用于控制领域。例如炉子恒温控制、电镀生产线自动控制等。智能仪表中的应用：单片机制作的测量、控制仪表，能使仪表向数字化、智能化、多功能化、柔性化发展，并使监测、处理、控制等功能一体化，使仪表重量大大减轻，便于携带和使用，同时降低了成本，提高了性能价格比。如数字式 RLC 测量仪、智能转速表、计时器等。智能产品：片机与传统的机械产品结合，使传统机械产9品结构简化、控制智能化，构成新型的机、电、仪一体化产品。如数控车床、智能电动玩具、各种家用电器和通信设备等。在智能计算机外设中的应用：计算机应用系统中，除通用外部设备外，
14、还有许多用于外部通信、数据采集、多路分配管理、驱动控制等接口。如果这些外部设备和接口全部由主机管理，势必造成主机负担过重、运行速度降低，并且不能提高对各种接口的管理水平。如果采用单片机专门对接口进行控制和管理，则主机和单片机就能并行工作，这不仅大大提高系统的运算速度，而且单片机还可对接口信息进行预处理，以减少主机和接口间的通信密度、提高接口控制管理的水平。如绘图仪控制器，磁带机、打印机的控制器等等。（4）宋春华：机械电子工程机械电子工程的内容包括基础理论知识、机械设计制造方法和计算机软硬件。分为机械电子系统、微型、超微型机械和生物机械三个大的发展方向。机械电子的前沿研究动态向着智能化、模块化、
15、网络化、微型化、绿色化、系统化和自动化。系统化：指采用一定的方式，对已经制定颁布的规范性文件或者流程进行归类、整理或加工，使其集中起来作有系统的排列，以便于使用的活动。10自动化（Automation）是指机器设备、系统或过程（生产、管理过程）在没有人或较少人的直接参与下，按照人的要求，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制，实现预期的目标的过程。 在未来的几个世纪，并没有什么东西能取代机械的位置。也就是说，这个行业还有很长的路要走，它在人们消费的比重将不断提高。而这个行业的竞争也会变得越来越激烈，只有不断创新，只有把机械和电子的软硬部分完美地结合起来才能做成优异的机电一体化产品（5）高速
16、水射流精密加工技术高速水射流特种加工是利用具有很高动能的高速水射流束来冲蚀材料，从而实现材料切削，属于高能束加工范畴，是一种可与激光、等离子体、电子束加工方法媲美的新型切割加工工具。水射流切割无(机械)接触，适应性好、切割表面精度高、切缝窄、材料损耗少、清洁无污染，配合数控执行机构可精确切割加工任意复杂形状工件。另一方面，水射流具有介质成本低,、清洁、环境友好, 而且对被加工材料无热损伤(被切割材料温度小于 100)等优点，在许多材料的切割加工、表面处理中，水射流具有其独特的优越性。高速水射流尤其适用于高硬度、高脆性难加工材料、复合材料、钢筋混凝土、陶瓷、石材等的切割加工。高速水射流切割加工具
17、有如下特点：11多功能和高效能：可完成任意材质从纸板到钢板、花岗石、陶瓷、混凝土等的切割；同时，配合软件可以实现数控铣功能和艺术雕刻高度自动化、柔性化：配合数控系统，可进行任意复杂形状的异形加工，且切口平整、加工精度高、无需二次加工唯一冷切割加工工具：水射流切割时，工件温度在 100以内，绝无热应力或热变形产生，特别适用于热敏感材料、特殊合金材料和复合材料的切割加工绿色环保、安全：水射流切割时不会产生粉尘和有毒气体、无二次污染，可提供一个安全、清洁的工作环境操作简单、方便：利用 CAD/CAM 系统，配合数控执行机构（CNC）可容易实现数控精确切割加工。客户可在计算机上直接绘图、输入或扫描所需
18、工件，标明工件材料种类、厚度、所需切边品质等，即可开始加工，形成最终产品。这是一种真正意义上的柔性制造系统。投资成本低、效率高、效益好：同其它数控机床相比，数控水射流切割机床具有一机多用，投资成本低、生产效率高、经济效益好等特点。水射流加工已经被世界许多著名大公司，各大飞机制造公司所成功应用。在机械制造、汽 车、航空航天、国防、军工、兵器、核工业、电子电力、石油、化工、轻工、船舶、食品、医疗、林业、农业、建筑建材、采矿、市政工12程等领域具有广泛的应用前景。高速水射流精密加工系统硬件主要由数控平台、CNC 控制器、超高压发生器、水射流切割头、控砂系统、计算机及 CAD/CAM 软件等组成。要实
19、现高速水射流精密加工，数控平台的精度很重要，但起决定作用的还是系统加工软件。根据目前的技术状况和实验数据，高速水射流精密切割加工主要性能参数可以达到：驱动速度：03m/min（步进系统） ；010m/ min（交流伺服系统）控制精度：0.01mm（步进系统） ；0.001mm （交流伺服系统）切割精度：0.1mm（步进系统） ；0.08mm （交流伺服系统）切缝宽度：视加工件材质、厚度和使用喷嘴直径、混砂管直径而定。一般而言，纯水射流：0.11.1mm；磨料射流：0.81.8mm高速水射流精密加工切割速度视加工件材质、厚度、加工精度、表面质量要求和射流功率而定。高速水射流特种精密加工有以下好处
20、:较其它加工便宜；可以切割薄材，也可以切割厚材；用一种工具加工所有零件轮廓； 在适宜的尺寸公差范围内，切割厚度可达 5 0 m m；在尺寸公差不重要或材料较软的情况下，切割厚度可达127mm；冷切割，工件上绝无热影响区（HAZ）产生；没有机械应力； 加工任何复杂形状（2D 或部分 3D）零件；准备时间很短；只一种工具就能完成零件加工，无需更换13加工刀具；转换快，加工完一种零件后，只需两分钟时间就能开始加工另一种不同材料、不同形状的零件；切割面光滑，无需二次加工； 加工过程清洁，无气体或油污染； 具有加工孔的能力，无需预先加工起始孔；切缝窄，切成碎屑的材料很少；切屑很容易回收利用；系统使用、操
21、作容易；根据零件加工特征，可以方便的在切割速度和加工尺寸误差之间进行调节；适应性好，无论是单件生产还是大批量生产，都在同一设备上完成，无需额外改动；非常安全；先画一个零件图，然后就加工这个零件，一 切就这么简单。任何人都可以很快学会使用；切面没有“疤痕”，因此可以容易得到高质 量的焊缝；可加工复合材料，或有完全不同的材料粘结；可以将几件较薄的材料叠在一起同时加工。水射流加工是世界上成长最快的切割工艺之一 1977 至2004 年，水射流加工的年增长率为百分之九点一。水射流特种加工快速成长的原因之一是加工品质高，无需二次处理，大部分水射流切制工件即为最终产品。水射流特种精密加工技术的研究与应用受
22、到世界各国的高度重视。一些国际知名的水射流公司为了抢占中国市场，已在中国大陆、台湾和香港设立分公司或办事处。我国的水射流技术研究起步较晚，发展较快。但整体水平还有差距，这主要和我国整个机械工业技术水平有关。随着我国科技发展和机械14行业水平的提高，目前国产水射流设备在全国销售已近 500套，近年来还出口美国、欧洲和东南亚，显示出巨大的市场潜力。就目前情况看，我国水射流切割机床目前绝大部分用于石材、民用陶瓷、玻璃等建材的加工。这些行业仍具有广阔的市场空间。另一方面，随着全球制造中心向中国的转移，用于机械、电子、环保等产业的高端水射流特种精密加工技术和设备在我国具有更广阔的市场。（6）机械系统状态
23、监测与故障诊断目前，机械设备正朝着大型化、高速化、连续化、自动化的方向发展，设备功能越来越多，性能指标越来越多，机械结构越来越复杂。有利于促进生产发展，提高生产率，降低成本，改善产品质量和劳动力，同时也潜伏着很多危机，导致机械出现故障，以至降低甚至失去某项功能。机械故障诊断是一种了解和掌握机器在运行过程的状态，确定其整体或局部正常或异常，早期发现故障及其原因，并能预报故障发展趋势的技术。油液监测、振动监测、噪声监测、性能趋势分析和无损探伤等为其主要的诊断技术方式。19 世纪工业革命到 20 世纪 50 年代，生产力水平低，故障诊断采用事后维修方式；20 世纪初到 50 年代，在规模化生产方式下
24、采用定期维修方式；20 世纪 60 到 70 年代，大15规模生产方式下采用状态维修，设备诊断技术形成；20 世纪 80 年代至今，柔性生产方式下设备诊断相关信息趋于集成化、智能化和网络化。 诊断信息主要来源于直接观察、噪声和振动的测量、整机性能测定和零件性能测定。机械系统状态监测与故障诊断的目的是能及时地、正确地对各种异常状态和故障状态作出诊断预防或消除故障对设备的运行进行必要的指导提高设备运行的可靠性、安全性和有效性以期把故障损失降低到最低水平；证设备发挥最大的设计能力制定合理的检测维修制度以便在允许的条件下充分挖掘设备潜力延长服役期限和使用寿命降低设备全寿命周期费用；通过检测监视、故障分
25、析、性能评估等为设备结构修改、优化设计、合理制造及生产过程提供数据和信息。 总起来说,设备故障诊断既要保证设备的安全可靠运行又要获取更大的经济效益和社会效益。对生产单位配置故障诊断系统能减少事故停机率具有很高的收益投资比。对生产单位配置故障诊断系统能延长设备检修周期缩短维修时间为制定合理的检测维修制度提供基础极大地提高经济效益。宏观上从全社会生产的角度看花费的设备维修费用是一笔巨大的数目而实施故障诊断带来的经济效益是巨大的。设备故障诊断的任务是监视设备的状态判断其是否正常预测和诊断设备的故障并消除故障指导设备的管理和维修。16包括状态检测、故障诊断和指导设备的管理维修。开展机械故障诊断可实现设
26、备的视情维修，提高设备管理水平，避免重大事故发生，提高安全管理水平，确保设备安全可靠运行，可以获得潜在的巨大经济和社会效益。（7） 计算机视觉技术计算机视觉技术是一门研究如何使机器“看”的科学，就是指用摄影机和电脑代替人眼对目标进行识别、跟踪和测量等机器视觉，并进一步做图形处理，用电脑处理成为更适合人眼观察或传送给仪器检测的图像。计算机视觉集数字图像处理、数字信号处理、光学、物理学、几何学、应用数学、模式识别、人工智能等知识于一体，研究相关的理论和技术，试图建立能够从图像或者多维数据中获取信息的人工智能系统，其应用已经涉及到计算几何、计算机图形学、图像处理、机器人学等领域。计算机视觉技术的原理
27、就是用各种成象系统代替视觉器官作为输入敏感手段，由计算机来代替大脑完成处理和解释。其最终研究目标就是使计算机能象人那样通过视觉观察和理解世界，具有自主适应环境的能力。要经过长期的努力才能达到的目标。因此，在实现最终目标以前，人们努力的中期目标是建立一种视觉系统，这个系统能依据视觉敏感和反馈的某种程度的智能完成一定的任务。计算机视觉系统中，视觉信息的处理技术主要依赖于图17像处理方法，它包括图像增强，数据编码和传输、平滑、边缘锐化、分割、特征抽取、图像识别与理解等内容。经过这些处理后，输出图像的质量得到相当程度的改善，既改善了图像的视觉效果，又便于计算机对图像进行分析、处理和识别，在工业检测、医
28、疗、公安、金融、交通、商标处理等方面发挥着重要作用。过去由于 CPU 处理能力强大，可以进行较为复杂的图像处理，并且一个 Pc 可以支持多个相机进行多方位的检测，使得 PC Based 方案颇受厂商青睐。目前，嵌入式方案以其更大的灵活性、更低的成本，更高的抗干扰能力越来越引起厂商的重视，是计算机视觉技术的一个发展方向。计算机视觉技术的发展趋势可以简单概括为一下几点：(1)PC Based 系统市场份额被分食，但不会消亡。(2)检测精度、速度将随着 CCD/CMOS 和芯片技术的进一步增加。(3)随着算法技术研究的深入，功能会进一步增加。(4)应用领域不断扩展到医药、零件制造、生物、航天等行业。
29、随着加工制造业的发展，计算机视觉产品的增多和技术水平的日益提高，对于计算机视觉技术的需求必将逐渐增18多，自动化将朝着更智能更快速的方向发展。因此，掌握这门技术是十分必要的。随着对定量研究的重视，新的描述方式、求解手段 的研究，以及感知手段 的改进，计算机视觉技术必将迎来一个更加繁荣的时代。（8） 机器人足球机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置，既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。机器人足球就是由多个机器人组成一个球队，相互配合，在“独立决策，人不得干预”的原则
30、下进行的足球比赛。足球机器人比赛虽然刚刚开展几年时间，但是它吸引了越来越多人的关注。它以喜闻乐见的方式走进了我们的视野，虽然它的体积很小，但是它的意义非常重大，不但需要人工智能技术中的视觉、传感融合、行为决策、知识处理等技术，而且还需要和无线通讯、智能控制、机电一体化、计算机仿真等许多关键技术集成为一体的综合技术。因此凡参加“世界杯”机器人足球比赛的球队都是带着自己国家的综合实力和尊严参加比赛的，可以说“世界杯”机器人足球是衡量各国综合技术实力的一个小平台上”技术战争”19。机器人足球是一个多智能体系统的典型问题，系统的运行更具有实时性和对抗性，运行环节更具有未知性和偶然性，要求系统有更高的只
31、能度。机器人足球的目的是研究对未来社会有深远意义的多机器人在复杂运动态环境多重制约下，完成多任务和多目标所需的实时推理和规划技术。在多智能体系统中不但研究每个智能体本身的体系结构，而且更着重研究各智能体之间的协调与合作问题。首先机器人足球比赛过程中每个机器人不但能发挥个人能力，而且还能通过协调与合作还发挥集体力量；其次，在比赛场地上的各球队机器人为了射门或防守到处奔跑，因此成为时时刻刻变化的非常复杂的动态环境；第三，为了战胜对方，双方机器人球队必须实时地了解我方和敌方阵营的动态变化，并根据这一动态变化提出行为决策，同时为执行这个决策，各智能体之间必须通过通信来解决协调与合作问题。中国第一支机器
32、人足球队于 1997 年 7 月在哈尔滨工业大学成立，同年 8 月在中国人工智能学会支持下国际机器人足球联盟中国分会在哈工大成立，如今已成为世界机器人足球领域中不可忽视的劲旅。不仅如此，在 2001 年 FIRA 中国分会举办的第六届世界杯机器人足球大赛中 FIRA 中国分会提出的全自主型机器人足球（ RoboSot ）20和仿真型机器人足球（ SimuroSot ）比赛项目已成为 FIRA 公认的比赛项目，它为国际机器人足球的发展做出了不可磨灭的贡献。 我们确信中国的机器人足球在中国人工智能学会和国际机器人足球联盟支持下会有更大成绩，并将机器人足球中所包含的许多关键技术应用到国民经济各领域，
33、为我国四个现代化做出应有的贡献。千人工程机器人足球俱乐部的成立是我们思远教育发展史上的一件大事，是我们继“入模式”教育的改革后的又一次尝试。我们希望通过和世界接轨的科学技术的引入，以及和更多关心这个领域的组织的合作，来进一步扩大我们思远在 IT 界、在科学界、在整个世界的影响力。材料学科前沿讲座论文（2）材料学科前沿讲座论文 班级：材料 10-7 姓名：XXX 学号：XXX 中国矿业大学学科前沿讲座纳米材料在来矿大之前对材料没有多少认识，只知道他与物理化学联系较为紧密，是新世纪的主导学科！所以就选择了材料！在听教授们上完那个学科前沿讲座之后，我对自己的21专业才有了一个初步的了解，尤其对纳米材
34、料感触极深！21 世纪是高新技术的世纪，信息、生物和新材料代表了高新技术发展的方向。在信息产业如火如荼的今天，新材料领域有一项技术引起了世界各国政府和科技界的高度关注，这就是纳米科技。处于新材料科技前沿的纳米科技，它的应用领域非常广泛。应用于制造业，现在已经造出只有米粒大小且能开动的汽车、只有蜜蜂大小的直升机。应用于生物医学，可以制出只有几毫米的人造手，帮助医生实施虚拟的现实手术。有人预言，处于 2l 世纪高新技术前沿和核心地位的纳米科技所引起的世界性技术革命和产业革命对社会经济、政治、国防等所产生的冲击，将比以往的技术革命时代带来的影响更为巨大。纳米科技将会掀起新一轮的技术浪潮，领导下一场工
35、业革命。人类将进入一个新的时代-纳米科技时代。1.纳米科技的基本概念和内涵1959 年，著名的理论物理学家、诺贝尔奖金获得者费曼曾预言：“毫无疑问，当我们得以对细微尺度的事物加以操纵的话。将大大扩充我们可能获得物性的范围。 ”在这里，通常界定为 1100nm 的范围内纳米体系是细微尺度的事物的主角。22纳米科学技术是 20 世纪 80 年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，他的基本涵义是在纳米尺寸(10-910-7m)范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创制新的物质。早在 1959 年，美国著名的物理学家，诺贝尔奖获得者费曼就设想：“如果有朝一日人们能把百科全书存储在一个针尖大小的
36、空间内并能移动原子，那么这将给科学带来什么!”这正是对纳米科技的预言，也就是人们常说的小尺寸大世界.纳米科技是研究由尺寸在 1100nm 之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术纳米科技主要包括：(1)纳米体系物理学； (2)纳米化学；(3)纳米材料学； (4)纳米生物学；(5)纳米电子学； (6)纳米加工学；(7)纳米力学。这 7 个部分是相对独立的。隧道显微镜在纳米科技中占有重要的地位，它贯穿到 7 个分支领域中，以扫描隧道显微镜为分析和加工手段所做工作占有一半以上。纳米科学所研究的领域是人类过去从未涉及的非宏观、非微观的中间领域，从而开辟人类认识世
37、界的新层次，也使人们改造自然的能力直接延伸到分子、原子水平，这标志着人类的科学技术进入了一个新时代，即纳米科技时代。23以纳米新科技为中心的新科技革命必待成为 21 世纪的主导。纳米新科技诞生才几十年，就在几个重要的方面有了如下的重要进展：(1)美国商用机器公司两名科学家利用扫描隧道电子显微镜直接操作原子，成功地在 Ni(镍)基板上，按自己的意志安排原子组合成“IBM”字样，日本科学家已成功地将硅原子堆成一个“金字塔”，首次实现了原子三维空间立体搬迁1991 年 IBM 的科学家还制造了超快的氙原子开关专家们预计，这一突破性的纳米新科技研究工作将可能使美国国会图书馆的全部藏书存储在一个直径仅为
38、 0.3cm 的硅片上据英国科学与共同政策杂志报道，科学家们最近制造出一种尺寸只有 4nm 的复杂分子，具有“开”和“关”的特性，可由激光计算机提供可能的技术保证。(2)近年来刚刚发展起来的纳米材料出现许多传统材料不具备的奇异特性，已引起科学家的极大兴趣德国萨尔大学格菜德和美国阿贡国家实验室席格先后研究成功纳米陶瓷氟化钙和二氧化钛，在室温下显示良好的韧性，在 180经受弯曲并不产生裂纹，这一突破性进展，使那些为陶瓷增韧奋斗将近一个世纪的材料科学家们看到希望英国著名材料科学家卡恩在从 Nature 杂志上撰文说：“纳米陶瓷24是解决陶瓷脆性的战略途径。 ”纳米材料在光吸收、催化、敏感特性和磁性方
39、面都表现出明显不同于同类传统材料的特性，在高技术应用上显示出广阔的应用前景。(3)作为纳米科学技术的另一个重要分支，即纳米生物学在 90 年代初露头角，面向 2l 世纪，它的发展前途方兴末艾纳米生物学在纳米尺度上认识生物大分子的精细结构及其与功能的联系，并在此基础上按自己的意愿进行裁剪和嫁接，制造具有特殊功能的生物大分子，这使生命科学的研究上了一个新的台阶。(4)纳米微机械和机器人是十分引人注目的研究方向。纳米生物机器和纳米生物部件零件的研制，用原子和分子直接组装成纳米机器不但其速度、效率比现有机器大大提高，而且应用范围之广，功能之特殊、污染程度之低是现有机器人无法比拟的。纳米生物“部件”与纳
40、米无机化合物及晶体结构“部件”相组合，用纳米微电子学控制形成纳米机器人，尺寸比人体红血球小，这种纳米机器人的问世特使未来高技术出现新的飞跃，人类的医疗也因之发生深刻的革命，许多疑难病症将得到解决。（5）医生可能应用纳米机器人直接打通脑血栓，清出心脏动脉脂肪沉积物，也可以通过把多种功能纳米微型机器注入血管内，进行人体全身检查和治疗。药物也可以制成纳米尺寸，直接注射到病灶部位，大大提高医疗效果，减25少副作用。目前，纳米科学技术正处于重大突破的前期，它取得的成绩已经使人们为之震动，并引起关心未来发展的科学家们的思考。2. 纳米材料和技术领域研究的对象和发展的历史。纳米材料和技术是纳米科技领域最富有
41、活力、研究内涵十分丰富的学科分支。 “纳米”是一个尺度的度量，最早把这个术语用到技术上是日本在 1974 年底，但是以“纳米”来命名的材料是在 20 世纪 80 年代，它作为一种材料的定义把纳米颗粒限制到 1100nm 范围、实际上，对这一范围的材料的研究还更早一些。在纳米材料发展初期，纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体现在，广义地，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。如果按维数，纳米材料的基本单元可以分为三类：(1)零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等；(2)一维，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米
42、棒、纳米管等；(3)二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜，多层膜；超晶格等。纳米材料大部分都是用人工制备的，属于人工材料，但是自然界中早就存在纳米微粒和纳米团体。例如天体的陨26石碎片，人体和兽类的牙齿都是由纳米微粒构成的。此外，浩瀚的海洋就是一个庞大超微粒的聚集场所，原先认为海洋中非生命的亚微米的粒子(0.41m)具有很丰富的浓度，约为 106107 个/ml最近，威尔斯等人在南太平洋发现小于 120nm 的海洋胶体粒子的浓度至少是亚微米粒子的 3 倍，而且深度分布奇特，通过对这些纳米粒子的研究，可以了解海洋、生命的起源以及获取开发海洋资源的信息纵观纳米材料发展的历史大致可以划分为
43、 3 个阶段：第一阶段(1990 年以前)主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能对纳米颗粒和纳米块体材料结构的研究在 20 世纪 80 年代末期一度形成热潮。研究的对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这类纳米材料称纳米晶或纳米相材料。第二阶段(1994 年前)人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米微粒复合(00 复合)，纳米微粒与常规块体复合(03 复合)及发展复合纳米薄膜(02复合)，国际上通常把这类材料称为纳米复合
44、材料这一阶27段纳米复合材料的合成及物性的探索一度成为纳米材科研究的主导方向。第三阶段(从 1994 年到现在) 纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注或者称为纳米尺度的图案材料它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系，其中包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系纳米颗粒、丝、管可以是有序地排列。如果说第一阶段和第二阶段的研究在某种程度上带有一定的随机性，那么这一阶段研究的特点要强调按人们的意愿设计、组装、创造新的体系，更有目的地使该体系具有人们所希望的特性。3. 纳米材料与其他学科的交叉、渗透纳米材料科
45、学是原子物理、凝聚态物理、胶体化学、团体化学、配位化学、化学反应动力学和表面、界面科学等多种学科交叉汇合而出现的新学科生长点。纳米材料中涉及的许多未知过程和新奇现象，很难用传统物理、化学理论进行解释从某种意义上来说，纳米材料研究的进展势必把物理、化学领域的许多学科推间一个新层次，也会给21 世纪物理、化学研究带来新的机遇。纳米材料为凝聚态物理提出许多新的课题，由于纳米材28料尺寸小，可与电子的德布罗意波长、超导相干波长及激子玻尔半径相比拟，电子被局限在一个体积十分微小的纳米空间，电子运输受到限制，电子平均自由程很短，电子的局域性和相干性增强，尺度下降使纳米体系包含酌原子数大大降低；宏观固定的准
46、连续能带消失了，而表现为分立的能级，量子尺寸效应十分显著。纳米材料在催化反应中具有重要作用通常的金属催化剂铁、钴、镍、铂制成纳米微粒可大大改善催化效果粒径为 30nm 的镍可把有机化学加氢和脱氢反应速度提高 15倍在环二烯的加氢反应中，纳米微粒做催化剂比一般催化剂的反应速度提高 1015 倍在甲醛的氢化反应生成甲醇的反应中，以氧化钛、氧化硅、氧化镍加上纳米微粒镍、铷，反应速度大大提高，如果氧化硅等粒径达到纳米级，其选择性可提高 5 倍通过光催化从水、二氧化碳和氯气中提取有用物质例如，液体燃料一直是人们研究的重要课题，最近日本利用纳米铂作为催化剂放在氧化钛的载体上，在加入甲醇的水溶液中通过光照射
47、成功地制取了氢，产出率比原来提高几十倍纳米微粒对提高催化反应效率、优化反应路径、提高反应速度和定向方面的研究是未来催化科学的重要研究课题，很可能给催化在工业应用带来革命性的变革。纳米合成为发展新型材料提供新的途径和新的思路非平29衡动态的材科工艺学在 21 世纪将会有新的突破目前，在世界上的材料有近百万种，而自然的材料仅占 1/20，这就说明人工材料在材料科学发展中占有重要地位纳米尺度的合成为人们设计新型材料，特别是为人类按照自己的意愿设计和探索所需要的新型材料打开了新的大门例如，在传统相图中根本不共溶的两种元素或化合物，在纳米态下可以形成固溶体，制造出新型的材料铁铝合金、银铁和钢铁合金等纳米
48、材料已在实验室获得成功。利用纳米微粒的特性，人们可以合成原子排列状态完全不同的两种或多种物质的复合材料人们还可以把过去难以实现的有序相和无序相、晶态相和金属玻璃、铁磁相和反铁磁相、铁电相和顺电相复合在一起，制备出有特殊性能的新材料。纳米材料的诞生也为常规的复合材料的研究增添了新的内容把金属的纳米微粒加入常规陶瓷中可大大改善材料的力学性质，如纳米氧化铝粒子放入橡胶中可提高橡胶的介电性和耐磨性，放入金属或合金中可以使晶粒细化，大大改善力学性质；纳米氧化铝弥散到透明的玻璃中既不影响透明度又提高了高温冲击韧性；纳米磁性氧化物粒子与高聚物或其他材料复合具有良好的微波吸收特性。纳米氧化铝微粒放入有机玻璃(
49、PMMA)中表现出良好的宽频带红外吸收性能纳米粒子与纳米粒子复合，受到世界30各国极大的重视英国制定了一个很大的纳米材料发展计划，重点制备纳米氧化铝+纳米氧化锆，纳米氧化铝+纳米氧化硅，纳米氧化铝+纳米氮化硅或碳化硅等新型纳米复合陶瓷。纳米材料与医学药物领域的交叉是必然的发展趋势美国 MIT 己成功研究了以纳米磁性材料为药物载体的靶向药物，称为“生物导弹”，即在磁性三氧化二铁纳米微粒包覆蛋白质表面携带药物，注射进人体血管，通过磁场导航输运到病变部位释放药物，可减少肝、脾、肾等由于药物产生的副作用。纳米微粒在医疗临床诊断及放射性治疗等方面的应用，如在人体器官成像研究中，纳米微粒可以作为增强显示材料进入核磁共振生物成像领域 纳米结构研究的进展和趋势。著名的诺贝尔奖金获得者费曼早就提出一个令人深思的问题：“如何将信息储存到一个微小的尺度?令人惊讶的是自然界早就解决了这个问题，在基因的某一点上，仅 30 个原子就隐藏了不可思议的遗传信息，如果有一天人们能按照自己的意愿排列原子和分子，那将创造什么样的奇迹 ”今天，纳米结构的问世以及它所具有的奇特的物性正在对人们生活和社会的发展产生重要的影响费曼的预言已成为世纪之交科学家员感兴趣的研究热点。纳米结构体系
