我国机械工程研究进展与展望(3)

　　张永康等在基于强激光冲击波力学效应的非传统制造与表面强化研究中，提出了金属板激光冲击无模/半模成形的方法，研制了重复频率千兆瓦钕玻璃激光器和激光冲击成形系统，实现了难成形金属薄板的激光冲击小曲率半模成形；提出了激光冲击强化效果无损检测方法和膜基界面结合强度的激光划痕测量方法与理论，构建了激光划痕测试系统。
　　华中科技大学发明了一种新型实用的金刚石圆锯片激光焊接系统、提出了基体及刀头的过渡材料的可焊性、烧结工艺及焊接工艺，研制了适合锯片焊接的激光焊接系统，产品远销欧美。
　　黄传真等在硬脆材料的高压磨料水射流切割加工、表面铣削加工、微细磨料水射流精密加工机理及抛光技术、磨料水射流混合管流场仿真等方面开展了系统研究。建立了单磨料粒子脆性断裂和塑性剪切冲蚀动能模型，提出了工件材料脆塑转变冲蚀动能临界条件，研制成功了精密微磨料水射流加工系统，其抛光表面粗糙度可达凡29nm。
　　2.15微纳制造领域
　　目前微型机械系统(Micro-electromechanicalsystems,MEMS)发展的主要趋势是工程性能优化、智能系统集成、批量低成本；纳米制造主要研究方向是尺度效应、材料加工方法、纳米结构及系统的制造。
　　在微纳系统设计方面，苑伟政等提出了支持任意流程的MEMS集成设计工具，可为机械、电子等不同工程背景设计人员提供多层次、多入口的任意流程设计，支持惯性、压力、光学、射频等器件的建模、仿真与分析。
　　北京大学在硅基MEMS技术研究中，提出三套标准工艺流程，突破了高深宽比硅刻蚀、微结构键合强度检测、应变电阻杂质分布、薄膜应力控制等难题，建立了高水平的硅基MEMS加工平台。上海交通大学研究了非硅多层复杂微结构加工技术等，并应用于化学传感器、生物医学分析器件中。
　　中科院上海微系统所等发明了多层硅微机械结构一次成形技术、干法刻蚀积累电荷释放和可动结构保护技术和圆片级封装新方法，形成了基于单硅片结构的双面体微机械压阻传感器制造工艺、建立了集MEMS芯片制造和封装于一体的技术平台。
　　李勇等针对喷墨、喷丝、喷液和喷雾构件的微加工，提出了微细冲压加工和微细电火花加工交叉结合的微细阵列型孔复合加工工艺，加工出截面形状为三角形、最小喷口尺寸60pm量级的喷丝头，目前正在开发面向汽车喷油嘴的批量微细电火花加工工艺与设备。
　　哈尔滨工业大学提出了微塑性成形工艺，制造出微型齿轮和钟表延时机构；采用微细电火花加工技术，提出了微喷批量加工工艺与设备技术。厦门大学提出了具有原创性约束刻蚀剂层技术，实现了对硅、砷化镓和金属(Cu、Ni、Al、Ti)的三维刻蚀加工。尹韶辉在微小非球面模具的超精密磨削及纳米研抛加工方面取得重要进展，并已获得初步应用。
　　王立鼎、刘冲等研制了具有自主知识产权的塑料微流控芯片自动化制造装备，进行了微结构热压成形金属模具的制作、微流控芯片制作工艺以及芯片质量检测技术等方面的研究，掌握了芯片批量制作的关键技术。
　　2.16纳米加工领域
　　中科院上海微系统所将干法刻蚀工艺与湿法腐蚀工艺有机结合，研制出纳米梁、桥、探针、纳机电谐振器结构等。哈尔滨工业大学、天津大学开展了纳米加工技术研究，如阳极氧化、热烧蚀、机械刻蚀等，董申等采用原子力显微镜(Atomforcemicroscope,AFM)机械耕犁加工方法，加工出多种复杂纳结构。周明等在飞秒激光生物分子纳米加工、黄文浩等在飞秒激光微细光成型加工领域取得了重要进展。
　　卢秉恒、丁玉成等[14]提出了常温软压印下"保压一释放一固化"的纳米压印工艺，发现了阻蚀胶与模具液一固界面、固一固界面特性对模腔填充质量及其脱模效果的影响规律，实现了50nm线宽的纳米压印，具有良好的复型保真度。
　　中科院物理所成功研制出具有对称式机械结构的双探针扫描隧道显微镜(Scanningtunnelingmicroscope,STM)探头，并通过主动降噪技术大大提高了STM系统的信噪比；研制成功超高真空低温(变温)强磁场双探头STM与分子束外延联合系统，并应用于实际。
　　史铁林、刘胜等开展了MEMS动态特性测试技术研究，研究了纳米级测量分辨率的平面运动估计算法、三维耦合运动测试理论、基于傅里叶变换和时间平均干涉图像分析方法，以及微结构杨氏模量间接测量技术，研制出了具有自主知识产权的MEMS频闪干涉视觉三维测试设备。
　　张文栋、刘俊等研制了基于拉曼光谱的圆片级微结构应力测试平台，完成了静态应力和动态应力的测试。中科院上海微系统所研制出基于原子力显微镜的微纳力学测试设备，制备了具有一定弹性系数范围的探针，结合研发出的微区力学特性、参数提取算法和SPM平台固化软件技术，实现了微力和微位移下的微区力学性能精确分析[1]。
　　3机械工程科学发展总趋势
　　在机械工程科学方面，虽然已经取得了瞩目的创新及进展，但必须清醒地认识到，我国机械工程科学总体上还处于落后状态。主要体现在：中国机械工程的理论、方法和技术对中国制造业的自主创新和发展的贡献不显著；中国学者提出的机械领域的新概念、新理论不多；有重要国际影响的机械工程理论、方法和技术不多；国际机械领域学术界有较大影响的中国学者很少。总体上中国机械工程学术领域在国际上的地位滞后于中国制造业在国际制造界的地位。
　　未来机械工程学科的发展将主要受到两方面的制约和推动，一个是制造业的创新发展，另一个是学科的演变进步。
　　鉴于未来制造业发展的总趋势是全球化、信息化、绿色化、知识化和极端化(以下简称"五化"）。机械工程科学的基本任务，就是为制造业的"五化"提供所需求的机械系统新理论、新方法和先进制造技术。
　　随着世界的进步、国家的需求和学科的发展，机械工程科学的发展出现了以下显著特点和趋势：一方面，高技术领域如光电子、微纳系统、航空航天、生物医学、重大工程等的发展，要求机械与制造科学向这些领域提供更多更好的新理论、新方法和新技术，因而出现和发展着微纳制造、仿生及生物制造、微电子制造等制造科学新领域；另一方面，随着机械与制造科学与信息科学、生命科学、材料科学、管理科学、纳米科学技术的交叉，除了推动着机构学、摩擦学、动力学、结构强度学、传动学和设计学的发展外，还产生和发展着仿生机械学、纳米摩擦学、制造信息学、制造管理学等新的交叉科学。
　　由于我国未来将大力推进拥有自主知识产权的先进仪器及装备技术，因此，基于自主创新的高技术仪器及装备的设计制造的基础研究将得到更充分地重视和更快地发展；此外，由于21世纪我国资源和环境面临空前的严峻挑战，要求机械与制造科学比以往任何时候更重视环境的保护、产品的安全性和绿色度、材料和能源的节省、机电装备的再制造以及新能源制造领域的研究。
　　4机械学发展展望
　　(1)机构学是机械工程学科中最有代表性的学科之一。机构学研究一方面应注重机构学基础理论研究，以使我国在国际机构学界保持优势地位，另一方面应注重与制造和控制的学科交叉，在设计理论和关键技术两个方面同时取得突破，以开发出性能优良新机构和新装备。航空航天器、机器人机构、纺织机械、工程机械、微纳机构、仿生机构等工程中存在大量机构问题，机构学大有用武之地。
　　(2)摩擦学研究自20世纪90年代起有了长足发展，其基本经验是与纳米、生物、计算机以及与工程问题的交叉结合，发展了纳米摩擦学、生物摩擦学、表面减阻及亚纳米抛光技术等。今后的发展是进一步向学科面更宽的交叉方向一界面机械与制造科学、纳米制造摩擦学和纳米生物摩擦学方向发展。此外，中国摩擦学领域的青年学者应当进一步加强在国际学术界的影响，争取在国际学术界占有更重要的位置。
　　(3)机械动力学研究中，非线性动力学、复杂机电系统动力学分析和故障监测等领域已经有了很大的进展，但复杂系统及多场耦合的非线性动力学分析建模和故障预示监控依然是个国际性难题，大型复杂机电系统动力学设计仿真、微纳系统动力学分析及设计是我国学术界面临的重要前沿课题。
　　(4)机械设计学，目前我国制造业中高端技术装备中自主产权的产品少，现有机械设计理论、方法和技术落后是其重要原因，急需重点推动我国装备设计技术的发展。要重点推动复杂机电系统的概念设计、复杂系统总体设计、设计支撑系统(设计数据、知识和信息平台)、基于网络的系统性能仿真虚拟设计等领域的理论、方法和技术的发展。
　　5制造科技发展展望
　　制造技术的发展总趋势是基于资源节约和环境保护基础上的数字网络化、智能集成化、高效精确化及极端制造化技术。采用德尔菲调查方法及研究分析，未来我国将要重点发展的制造科技主要有以下8个领域。
　　(1)空天及深海装备制造科技。未来飞机将进一步向大型、快速、轻型、舒适性、安全性方向发展；用于国防的各种飞行器，将向超快、精确、轻微及智能监控方向发展。高速、精确、智能化微型飞行器技术；微小制导技术；超低温、超真空、无重力极端条件下的装备设计与制造科学技术、智能作业机器人、超大型射电望远镜、适于高压腐蚀环境作业的深海装备的设计与制造技术等将得到大的发展。
　　(2)先进电子及通信制造科技。未来20年内，量子、纳米或商业基因计算机将问世。无线网络技术、网络光通信技术，卫星通信技术，基于网络的虚拟制造技术，非硅、量子、纳米、基因计算机芯片及其后封装科学技术将有大的发展。产品信息化和数字化；将传感、计算机及软件技术"嵌入"产品，实现产品的数字化和智能化；产品设计制造过程的数字化、虚拟化、网络化与智能化。例如数字智能轿车可以自动优化和选择路径、自动避撞和随时报告运转的状态和可能发生故障的时间和部位；数字智能柔性制造单元或系统能实现零件自主智能装卸、加工、检测和故障维护。智能数字网络多功能集成产品将会越来越多、越来越普遍，而且更新换代会越来越快。
　　(3)微纳米制造科技。从将纳米尺度器件发展到纳米尺度产品的批量纳米制造将是今后20年纳米制造领域的最大变化。纳米机械学、纳米尺度和精度器件的设计、制造、测量及装配科学技术；具有批量生产工艺的"自下而上"的生长型和"自上而下"的去除型以及前两者相结合的混合型制造技术将得到很大发展[14]。
　　(4)新能源装备制造技术。由于一次能源将逐步枯竭，核能、深海能源、再生能源及清洁能源的研发和使用将大大促进该领域制造技术的发展。核能工艺及装备、深海能源探测及采掘工艺及装备、新能源和再生能源的装备制造、基于新能源的经济型汽车发动机及车辆设计与制造技术研究将得到更大重视和关注。
　　(5)绿色制造科技。即基于资源节约和环境友好的绿色可持续性制造，是一项战略性制造理念、制造模式和制造技术。绿色可持续性制造包含无污染无废弃物制造、绿色产品的设计与制造、废旧机电产品的再制造、节能节材制造以及新能源装备制造五个方面。耗能耗材多、污染环境的机电产品和生产过程将会受到市场和法规的制约而逐渐减少或
　　消亡，相反，新能源、节能节材和无污染机电产品及其生产过程将得到更大发展。电动汽车和燃料电池汽车如果能突破电池材料和低成本制造两大瓶颈，将会实现车辆业改朝换代的大革命。由于废弃产品的海增，再制造业将得到迅速发展。
　　(6)仿生制造科技。由于生物制造技术的发展，仿生人或动物器官开始用于临床；仿生机械、机器人更普遍地进入人们的生活。仿人器官制造技术、仿生机电系统，如仿飞禽类飞机、仿动物机器人、智能机器人制造技术将有大的发展，与此相关的仿生机械学及仿生制造科学的深入研究是此项领域得以突破的关键。
　　(7)光子制造科技。研究表明，未来以激光为基础的光子学将超越电子学。激光由于所具有的准确性、高能量密度和可传输变换等其他任何能源无法比拟的突出优点，被誉为"未来制造系统的共同加工手段"，包括光子加工制造、激光加工、光化学加工、光电加工技术。其中强激光、飞秒皮秒激光加工、微纳尺度光子制造技术及科学是该领域的重点发展方向。
　　(8)数字装备制造科技。数字化制造装备包括极大极小尺度、高效率、高精度的智能数字化加工装备以及各类精密仪器和复杂机械系统。机械装备是机械制造工程和产业得以实现的工具和依赖，是我国由制造大国走向制造强国的重要标志。涉及相关工程重要需求和学科交叉的关键装备及仪器设计理论与方法、创新制造工艺技术以及基于网络的智能数字化控制理论是需要重点突破的科技问题。
　　6结束语
　　我国机械工程科学虽然已经取得了长足的进展，但与国际先进水平仍然存在很大差距。我们必须保持清醒的头脑，高瞻远瞩，尽快制定学科的长远发展规划，采取正确的学科发展战略和策略。加强对基础研究中原创性理论方法的支持力度，加强对原创性技术发明的支持力度。在继续保持和发扬摩擦学、机器人机构学等在国际学术界占有一席之地的同时，力争在2020年前后机械与制造学科总体上进入国际先进行列。在机械工程领域学术界，涌现多个在国际上有重大影响的科技成果和著名科学家;在机械与制造相关的国际学术界占有更多席位;有一批国际一流并在国际上有重要影响的国家实验室和工程研究中心；有一大批自主创新的重大科技成果转化为生产力，促使我国制造业产生更多的高技术产品和世界名牌企业。
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