第一篇：學(xué)科前沿講座 總結(jié) 中國礦業(yè)大學(xué)

計(jì)算機(jī)學(xué)院2011級信科 學(xué)科前沿講座報告

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大數(shù)據(jù)與云計(jì)算

通過老師對云計(jì)算的相關(guān)概念的解析，云計(jì)算，這個在網(wǎng)絡(luò)上十分火熱的名詞在我們的腦海里有了更為生動的概念。

云計(jì)算是基于互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)服務(wù)的增加、使用和交付模式，通常涉及通過互聯(lián)網(wǎng)來提供動態(tài)易擴(kuò)展且經(jīng)常是虛擬化的資源。云是網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)的一種比喻說法。過去在圖中往往用云來表示電信網(wǎng)，后來也用來表示互聯(lián)網(wǎng)和底層基礎(chǔ)設(shè)施的抽象。因此，云計(jì)算甚至可以讓你體驗(yàn)每秒10萬億次的運(yùn)算能力，擁有這么強(qiáng)大的計(jì)算能力可以模擬核爆炸、預(yù)測氣候變化和市場發(fā)展趨勢。用戶通過電腦、筆記本、手機(jī)等方式接入數(shù)據(jù)中心，按自己的需求進(jìn)行運(yùn)算。

對云計(jì)算的定義有多種說法。對于到底什么是云計(jì)算，至少可以找到100種解釋。目前廣為接受的是美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）定義：云計(jì)算是一種按使用量付費(fèi)的模式，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問，進(jìn)入可配置的計(jì)算資源共享池（資源包括網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器，存儲，應(yīng)用軟件，服務(wù)），這些資源能夠被快速提供，只需投入很少的管理工作，或與服務(wù)供應(yīng)商進(jìn)行很少的交互。

而大數(shù)據(jù)技術(shù)(big data)指的是所涉及的資料量規(guī)模巨大到無法通過目前主流軟件工具，在合理時間內(nèi)達(dá)到擷取、管理、處理、并整理成為幫助企業(yè)經(jīng)營決策更積極目的的資訊。（在維克托·邁爾-舍恩伯格及肯尼斯·庫克耶編寫的《大數(shù)據(jù)時代》中[2] 大數(shù)據(jù)指不用隨機(jī)分析法（抽樣調(diào)查）這樣的捷徑，而采用所有數(shù)據(jù)的方法）大數(shù)據(jù)的4V特點(diǎn)：Volume（大量）、Velocity（高速）、Variety（多樣）、Veracity（真實(shí)）。

那這兩者之間到底存在著何種關(guān)系呢？

從技術(shù)上看,大數(shù)據(jù)與云計(jì)算的關(guān)系就像一枚硬幣的正反面一樣密不可分。大數(shù)據(jù)必然無法用單臺的計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理,必須采用分布式計(jì)算架構(gòu)。它的特色在于對海量數(shù)據(jù)的挖掘,但它必須依托云計(jì)算的分布式處理、分布式數(shù)據(jù)庫、云存儲和虛擬化技術(shù)。

云計(jì)算為什么能盛行呢?在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)建：客戶群體是不確定的、系統(tǒng)規(guī)模不確定、系統(tǒng)投資不固定、業(yè)務(wù)應(yīng)用有很清晰的并行分割特征、數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)的構(gòu)建、數(shù)據(jù)倉庫規(guī)?？晒浪?、數(shù)據(jù)倉庫的系統(tǒng)投資與業(yè)務(wù)分析的價值和回報相關(guān)、商業(yè)智能應(yīng)用屬于整體應(yīng)用、Saas模式構(gòu)建數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)。

大數(shù)據(jù)管理，分布式進(jìn)行文件系統(tǒng)，如Hadoop、Mapreduce數(shù)據(jù)分割與訪問執(zhí)行;同時SQL支持，以Hive+HADOOP為代表的SQL界面支持，在大數(shù)據(jù)技術(shù)上用云計(jì)算構(gòu)建下一代數(shù)據(jù)倉庫成為熱門話題。從系統(tǒng)需求來看，大數(shù)據(jù)的架構(gòu)對系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)：

1、集成度更高。一個標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱最大限度完成特定任務(wù)。

2、配置更合理、速度更快。存儲、控制器、I/O通道、內(nèi)存、CPU、網(wǎng)絡(luò)均衡設(shè)計(jì)，針對數(shù)據(jù)倉庫訪問最優(yōu)設(shè)計(jì)，比傳統(tǒng)類似平臺高出一個數(shù)量級以上。

3、整體能耗更低。同等計(jì)算任務(wù)，能耗最低。

4、系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。能夠消除各種單點(diǎn)故障環(huán)節(jié)，統(tǒng)一一個部件、器件的品質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)。

5、管理維護(hù)費(fèi)用低。數(shù)據(jù)藏的常規(guī)管理全部集成。

6、可規(guī)劃和預(yù)見的系統(tǒng)擴(kuò)容、升級路線圖。

生物特征識別技術(shù)

生物特征識別技術(shù)作為一種身份識別的手段,具有獨(dú)特的優(yōu)勢,近年來已逐漸成為國際上的研究熱點(diǎn)，并且具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和市場前景。以指紋自動識別系統(tǒng)為代表的生物特征識別技術(shù)已經(jīng)在公安刑偵、人口管理等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用；在邊檢、金融、教育、醫(yī)療、社保等領(lǐng)域的應(yīng)用也在逐步擴(kuò)大。研究此選題主要是為了加強(qiáng)對生物特征識別技術(shù)的更進(jìn)一步的認(rèn)識，并將其更好地應(yīng)用到電子商務(wù)領(lǐng)域中，為人們的日常商務(wù)活動包括人員管理、資金管理、信息資源的規(guī)劃等活動提供更加安全、方便、快捷、可實(shí)施性強(qiáng)的解決方案。

如今,隨著國際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，網(wǎng)上的電子交易日益頻繁,這要求對身份的確認(rèn)要有絕對的保證。每個從事商務(wù)活動的個體或團(tuán)體都或多或少的擁有多個賬戶和密碼，賬戶和密碼越多越不易保密和管理，反安全技術(shù)也越來越發(fā)達(dá)。

人的許多生物特征包括指紋、DNA等是終身不變的，而且這些生物特征具有個體唯一性。因此，相比于，比如密碼等技術(shù)而言，生物特征識別具有可靠性高，重復(fù)率小的特點(diǎn)。由于這些特點(diǎn)。生物識別技術(shù)是目前最為方便與安全的識別技術(shù)，它不需要記住復(fù)雜的密碼，也不需隨身攜帶鑰匙、智能卡之類的東西。生物識別技術(shù)認(rèn)定的是人本身，沒有什么能比這種認(rèn)證方式更安全、更方便了。由于每個人的生物特征具有與其他人不同的唯一性和在一定時期內(nèi)不變的穩(wěn)定性，不易偽造和假冒，所以利用生物識別技術(shù)進(jìn)行身份認(rèn)定，安全、可靠、準(zhǔn)確。此外，生物識別技術(shù)產(chǎn)品均借助于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，很容易配合電腦和安全、監(jiān)控、管理系統(tǒng)整合，實(shí)現(xiàn)自動化管理。

隨著網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展, 我國的經(jīng)濟(jì)、軍事、社會各方面活動都越來越依賴于互聯(lián)網(wǎng), 特別是電子商務(wù)和金融方面。與此同時，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)利用網(wǎng)絡(luò)竊取盜用他人信息的電子攻擊現(xiàn)象也越來越多。非法登錄計(jì)算機(jī)的案件正呈上升趨勢, 在電子商務(wù)中假冒當(dāng)事人上網(wǎng)采購所造成的欺詐案也在逐漸增多，甚至有孩子假充家長上網(wǎng)采購的案例。另外，我國也出現(xiàn)了使用盜竊來的身份證造成移動電話通信的損失和用他人信用卡瘋狂透支的案件。

廣義的電子商務(wù)是指當(dāng)事人或參與人利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)手段所進(jìn)行的各類商務(wù)活動，包括貨物貿(mào)易和知識產(chǎn)權(quán)貿(mào)易之間（主要是企業(yè)和企業(yè)之間、企業(yè)與消費(fèi)者之間）利用現(xiàn)代信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)按照一定的標(biāo)準(zhǔn)所進(jìn)行的各種商務(wù)活動。狹義的電子商務(wù)是指通過Internet進(jìn)行的商務(wù)活動。[14]電子商務(wù)的功能有：交易活動管理、市場調(diào)研、廣告宣傳與信息發(fā)布、咨詢洽談、網(wǎng)上購物、網(wǎng)上支付、網(wǎng)上金融服務(wù)、服務(wù)傳遞、在線服務(wù)支持等。[15]這些活動都離不開身份識別。身份識別是電子商務(wù)領(lǐng)域中的重要環(huán)節(jié)。目前電子商務(wù)中身份認(rèn)證常用一種傳統(tǒng)的身份認(rèn)證方法, 在網(wǎng)上提供標(biāo)識信息(使用者帳號+ 密碼來表明本人身份)。這種方法的缺點(diǎn)是：標(biāo)識信息容易遺忘或記錯, 容易被非法用戶在信息傳遞過程中截獲，更關(guān)鍵的是身份識別系統(tǒng)無法辨清標(biāo)識信息真正擁有者和取得標(biāo)識信息的冒充者。[16]所以，無論是誰，只要獲得了標(biāo)識信息，就一樣擁有了相同的權(quán)力。針對出現(xiàn)的問題, 有效的身份鑒別技術(shù)可以防止這類案件發(fā)生。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用, 電子商務(wù)的迅速發(fā)展。發(fā)展電子商務(wù)的當(dāng)務(wù)之急是如何解決安全問題, 包

括如何解決用戶的身份、密碼、保障網(wǎng)上交易活動的安全性, 防止網(wǎng)上金融詐騙和各種犯罪活動等, 這是新時代提出的新課題。Bill Gates曾做過這樣的斷言, 生物識別技術(shù), 利用人的生理特征, 例如像指紋等來識別個人的身份, 將成為今后幾年IT產(chǎn)業(yè)的重要革新。

數(shù)字礦山與虛擬現(xiàn)實(shí)

本節(jié)課趙老師和我講的是數(shù)字礦山和虛擬化技術(shù)，通過這節(jié)課我們對數(shù)字化、信息化的采礦技術(shù)有了基本的了解。我們也將意識到伴隨中國改革開放的步伐，伴隨中國礦山企業(yè)的高速高效發(fā)展，我國煤礦數(shù)字礦山的發(fā)展前景將會極為光明。

虛擬現(xiàn)實(shí)即真實(shí)幻覺(Virtual Reality，簡稱VR，又譯作靈境、幻真)是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。

而數(shù)字化礦山技術(shù)中最為吸引人的就是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在其中的運(yùn)用。通過虛擬技術(shù)可以更為直觀的了解礦區(qū)檢測網(wǎng)絡(luò)連接的每個角落。

通過幾年來在數(shù)字化建設(shè)方面的探索，我們已在宏觀上了解了國內(nèi)外數(shù)字礦山的發(fā)展現(xiàn)狀，并對其含義與內(nèi)容有了進(jìn)一步的認(rèn)識：數(shù)字礦山是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及數(shù)字化技術(shù)來描述礦山管理，監(jiān)測與控制安全生產(chǎn)過程的數(shù)字化信息系統(tǒng)，其是實(shí)現(xiàn)礦山數(shù)字化的最終目標(biāo)。

在很多人質(zhì)疑數(shù)字礦山實(shí)踐意義的陰霾之下，中國煤炭學(xué)術(shù)界提出了數(shù)字礦山的“五化”發(fā)展目標(biāo)。我個人對于“五化”發(fā)展目標(biāo)的理解歸納如下：

1數(shù)字化地集成管理與共享利用各類礦山數(shù)據(jù)與信息資源。從橫向的角度收集龐大的信息量，對于指導(dǎo)實(shí)際工作有著客觀，全面的意義；真正使礦山管理實(shí)現(xiàn)集成化、信息化、高效化。

2可視化地三維模擬和虛擬再現(xiàn)礦山地質(zhì)采礦環(huán)境、過程及其相關(guān)現(xiàn)象。從視覺上對以往的二維圖紙顯現(xiàn)發(fā)生了空間及思維層次的超越。

3仿真化地模擬分析礦山采掘活動、采動影響與災(zāi)變過程。從以往的不可預(yù)測的，無法防治的漩渦之中，找到了清晰可見的研究道路。

4智能化地分析提取采動影響規(guī)律及環(huán)境與工藝參數(shù)。針對以往的經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律，數(shù)據(jù)性資料無疑更為精確與客觀。

5自動化地預(yù)警礦山災(zāi)害并啟動應(yīng)急預(yù)案。更加全面科學(xué)的實(shí)踐了安全生產(chǎn)這一煤礦開采的靈魂宗旨。

就目前我國礦山企業(yè)的具體情況而言，在承受著巨大經(jīng)濟(jì)壓力與任務(wù)重量的同時，數(shù)字礦山對于企業(yè)的發(fā)展到底能給予什么樣的利益與優(yōu)勢成為了很多人談?wù)撆c關(guān)注的焦點(diǎn)，我保守的總結(jié)一下，數(shù)字礦山的建設(shè)至少可以給礦山企業(yè)帶來以下益處：

1拓展礦山企業(yè)的生存與發(fā)展空間，提高企業(yè)的實(shí)際競爭力。2促進(jìn)礦山企業(yè)組織結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使各種資源有效合理的配置。3提供全面客觀準(zhǔn)確的對策分析，降低了決策的風(fēng)險性。4提高了企業(yè)快速反應(yīng)的能力，為突發(fā)形勢與狀況的處理提供了技術(shù)上的有力支持。

從我國現(xiàn)有部分礦山企業(yè)的數(shù)字礦山發(fā)展的進(jìn)程中，這些優(yōu)勢正在逐步地體現(xiàn)，其所取得的成果也是有目共睹的。

機(jī)器學(xué)習(xí)

上學(xué)期的丁老師所教的人工智能中我們初步接觸了機(jī)器學(xué)習(xí)的概念。通過這一次陳偉老師為我們講的有關(guān)機(jī)器學(xué)習(xí)的一些基本理論和發(fā)展前景，讓我們對于這門學(xué)科有了更好的理解。眾所周知，學(xué)習(xí)是人類具有的一種重要智能行為，但究竟什么是學(xué)習(xí)，長期以來卻眾說紛紜。社會學(xué)家、邏輯學(xué)家和心理學(xué)家都各有其不同的看法。按照人工智能大師西蒙的觀點(diǎn)，學(xué)習(xí)就是系統(tǒng)在不斷重復(fù)的工作中對本身能力的增強(qiáng)或者改進(jìn)，使得系統(tǒng)在下一次執(zhí)行同樣任務(wù)或相同類似的任務(wù)時，會比現(xiàn)在做得更好或效率更高。西蒙對學(xué)習(xí)給出的定義本身，就說明了學(xué)習(xí)的重要作用。在人類社會中，不管一個人有多深的學(xué)問，多大的本領(lǐng)，如果他不善于學(xué)習(xí)，我們都不必過于看重他。因?yàn)樗哪芰偸峭Ａ粼谝粋€固定的水平上，不會創(chuàng)造出新奇的東西。但一個人若具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，則不可等閑視之了。機(jī)器具備了學(xué)習(xí)能力，其情形完全與人類似。

什么是機(jī)器學(xué)習(xí)？迄今尚沒有統(tǒng)一的定義，由其名字可理解為機(jī)器學(xué)習(xí)是研究如何使用機(jī)器來模擬人類學(xué)習(xí)活動的一門學(xué)科。稍微嚴(yán)格的提法是機(jī)器學(xué)習(xí)是一門研究機(jī)器獲取新知識和新技能，并識別現(xiàn)有知識的學(xué)問。這里所說的“機(jī)器”，指的就是計(jì)算機(jī)，現(xiàn)在是電子計(jì)算機(jī)，以后還可能是種子計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)或神經(jīng)計(jì)算機(jī)等等。

機(jī)器能否像人類一樣能具有學(xué)習(xí)能力呢？1959年美國的塞繆爾(Samuel)設(shè)計(jì)了一個下棋程序，這個程序具有學(xué)習(xí)能力，它可以在不斷的對弈中改善自己的棋藝。4年后，這個程序戰(zhàn)勝了設(shè)計(jì)者本人。又過了3年，這個程序戰(zhàn)勝了美國一個保持8年之久的常勝不敗的冠軍。這個程序向人們展示了機(jī)器學(xué)習(xí)的能力，提出了許多令人深思的社會問題與哲學(xué)問題。機(jī)器的能力是否能超過人的，很多持否定意見的人的一個主要論據(jù)是：機(jī)器是人造的，其性能和動作完全是由設(shè)計(jì)者規(guī)定的，因此無論如何其能力也不會超過設(shè)計(jì)者本人。這種意見對不具備學(xué)習(xí)能力的機(jī)器來說的確是對的，可是對具備學(xué)習(xí)能力的機(jī)器就值得考慮了，因?yàn)檫@種機(jī)器的能力在應(yīng)用中不斷地提高，過一段時間之后，設(shè)計(jì)者本人也不知它的能力到了何種水平。

機(jī)器學(xué)習(xí)的研究是根據(jù)生理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)等對人類學(xué)習(xí)機(jī)理的了解，建立人類學(xué)習(xí)過程的計(jì)算模型或認(rèn)識模型，發(fā)展各種學(xué)習(xí)理論和學(xué)習(xí)方法，研究通用的學(xué)習(xí)算法并進(jìn)行理論上的分析，建立面向任務(wù)的具有特定應(yīng)用的學(xué)習(xí)系統(tǒng)。這些研究目標(biāo)相互影響相互促進(jìn)。

目前，機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的研究工作主要圍繞以下三個方面進(jìn)行： 1）面向任務(wù)的研究。研究和分析改進(jìn)一組預(yù)定任務(wù)的執(zhí)行性能的學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

2）認(rèn)知模型。研究人類學(xué)習(xí)過程并進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。3）理論分析。從理論上探索各種可能的學(xué)習(xí)方法和獨(dú)立于應(yīng)用領(lǐng)域的算法，機(jī)器學(xué)習(xí)是繼專家系統(tǒng)之后人工智能應(yīng)用的又一重要研究領(lǐng)域，也是人工智能和神經(jīng)計(jì)算的核心研究課題之一?，F(xiàn)有的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)沒有什么學(xué)習(xí)能力，至多也只有非常有限的學(xué)習(xí)能力，因而不能滿足科技和生產(chǎn)提出的新要求。對機(jī)器學(xué)習(xí)的討論和機(jī)器學(xué)習(xí)研究的進(jìn)展，必將促使人工智能和整個科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

計(jì)算機(jī)視覺（機(jī)器視覺）

姚老師在本堂課上為我們講解了機(jī)器視覺的基本概念。通過較為生動的多媒體教學(xué)，讓我們對這個學(xué)科有了基本的了解。

機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)是指通過機(jī)器視覺產(chǎn)品（即圖像攝取裝置，分 CMOS 和CCD 兩種）將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。

如今，中國正成為世界機(jī)器視覺發(fā)展最活躍的地區(qū)之一，應(yīng)用范圍涵蓋了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、軍事、航天、氣象、天文、公安、交通、安全、科研等國民經(jīng)濟(jì)的各個行業(yè)。其重要原因是中國已經(jīng)成為全球制造業(yè)的加工中心，高要求的零部件加工及其相應(yīng)的先進(jìn)生產(chǎn)線，使許多具有國際先進(jìn)水平的機(jī)器視覺系統(tǒng)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)也進(jìn)入了中國。

經(jīng)歷過長期的蟄伏，2010年中國機(jī)器視覺市場迎來了爆發(fā)式增長。數(shù)據(jù)顯示當(dāng)年，中國機(jī)器視覺市場規(guī)模達(dá)到8.3億元，同比增長48.2%，其中智能相機(jī)、軟件、光源和板卡的增長幅度都達(dá)到了50%，工業(yè)相機(jī)和鏡頭也保持了40%以上的增幅，皆為2007年以來的最高水平。

2011年，中國機(jī)器視覺市場步入后增長調(diào)整期。相較2010年的高速增長，雖然增長率有所下降，但仍保持很高的水平。2011年中國機(jī)器視覺市場規(guī)模為10.8億元，同比增長30.1%，增速同比2010年下降18.1個百分點(diǎn)，其中智能相機(jī)、工業(yè)相機(jī)、軟件和板卡都保持了不低于30%的增速，光源也達(dá)到了28.6%的增長幅度，增幅遠(yuǎn)高于中國整體自動化市場的增長速度。電子制造行業(yè)仍然是拉動需求高速增長的主要因素。2011年機(jī)器視覺產(chǎn)品電子制造行業(yè)的市場規(guī)模為5.0億人民幣，增長35.1%。市份額達(dá)到了46.3%。電子制造、汽車、制藥和包裝機(jī)械占據(jù)了近70%的機(jī)器視覺市場份額。

通過上課的PPT我們可以知道一個典型的工業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)包括：光源、鏡頭、相機(jī)（包括CCD相機(jī)和COMS相機(jī)）、圖像處理單元（或圖像捕獲卡）、圖像處理軟件、監(jiān)視器、通訊 / 輸入輸出單元等。

系統(tǒng)可再分為

一、采集和分析分開的系統(tǒng)。主端電腦（Host Computer)影像擷取卡（Frame Grabber)與影像處理器 影像攝影機(jī) CCTV鏡頭 顯微鏡頭 照明設(shè)備

Halogen光源LED光源 高周波螢光燈源 閃光燈源 其他特殊光源 影像顯示器 LCD 機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng) PLC、PC-Base控制器 精密桌臺 伺服運(yùn)動機(jī)臺

二、采集和分析一體的系統(tǒng) 智能相機(jī)（圖像采集和分析一體）

其他配套外圍設(shè)備：光源、顯示、PLC控制系統(tǒng)等等。由于機(jī)器視覺系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于自動處理，也易于同設(shè)計(jì)信息以及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)過程中，人們將機(jī)器視覺系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。

但是機(jī)器視覺技術(shù)比較復(fù)雜，最大的困難在于人的視覺機(jī)制尚不清楚。人可以用內(nèi)省法描述對某一問題的解題過程，從而用計(jì)算機(jī)加以模擬。但盡管每一個正常人都是“視覺專家”，卻不可能用內(nèi)省法來描述自己的視覺過程。因此建立機(jī)器視覺系統(tǒng)是十分困難的任務(wù)。

可以預(yù)計(jì)的是，隨著機(jī)器視覺技術(shù)自身的成熟和發(fā)展，它將在現(xiàn)代和未來制造企業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

多尺度變化的圖像處理

本次孫老師給我們講的是多尺度變換和圖像感知，這個學(xué)科目前研究的問題是基于子波的統(tǒng)計(jì)處理方法。

目前，研究者提出了包括Ridgelet，Curvelet，Bandelet，Contourlet等一系列多尺度幾何分析工具，由于

它們主要以變換為核心，因此也稱為多尺度多方向變換．為了能充分利用原函數(shù)的幾何正則性，這些變換基的支撐區(qū)間表現(xiàn)為“長條形”，以達(dá)到用最少的系數(shù)來逼近奇異曲線．多尺度幾何分析技術(shù)在圖像壓縮、去噪、增強(qiáng)及特征提取等領(lǐng)域，表現(xiàn)出的性能優(yōu)勢顯示了其強(qiáng)大的發(fā)展和應(yīng)用潛力。

正是由于多尺度幾何變換的諸多優(yōu)良特性，多尺度幾何分析非常適合于進(jìn)行諸如去噪、壓縮、增強(qiáng)和特征提取等圖像處理任務(wù)。

10多年來，圖像多尺度幾何分析技術(shù)的研究取得了不少進(jìn)展，但是仍然存在很多問題，有許多方向有

待進(jìn)一步研究．

1）自適應(yīng)和非自適應(yīng)方法的選取

近幾年來，在圖像多尺度幾何分析領(lǐng)域，學(xué)者們普遍認(rèn)為自適應(yīng) 方法相對非自適應(yīng)方法具有更好的逼近性能，于是提出了各種各樣的自適應(yīng)分析方法，但在某些情況下，一些非自適應(yīng)方法通過簡單的硬閾值處理獲得的非線性逼近性能并不比復(fù)雜的自適應(yīng)方法差，因此，如何選擇自適應(yīng)和非自適應(yīng)方法，一直是學(xué)者們研究的方向． 2）濾波器組的構(gòu)造和設(shè)計(jì)

圖像多尺度幾何分析算法中濾波器組作為各種多尺度方向變換的重要

組成部分，其性能直接影響到多尺度方向變換在實(shí)際應(yīng)用中的性能，因此，有很多學(xué)者投入到濾波器組的構(gòu)造和設(shè)計(jì)中，以便取得更好的變換性能．

3）基本理論框架的建立

目前，多尺度幾何分析理論都是針對不同應(yīng)用目的提出來的，如何從根本

上揭示其數(shù)學(xué)本質(zhì)，構(gòu)建統(tǒng)一的多尺度幾何分析理論是值得研究的方向之一．

4）快速處理工具的建立目前，多尺度多方向變換沒有統(tǒng)一有效的變換工具，如何設(shè)計(jì)快速有效的算法，發(fā)展新的多維信號處理工具，也是值得研究的方向之一．

5）多維圖像模型的建立當(dāng)前，多尺度幾何分析方法都是建立在簡單的二維圖像模型之上，然而真正的自然圖像遠(yuǎn)比這個模型復(fù)雜，對于更復(fù)雜的自然圖像模型，如包含紋理的模型等還需要建立更好的圖像模型，以便得到更優(yōu)的圖像多尺度幾何表示方法．

6）與其他領(lǐng)域的結(jié)合如何將多尺度幾何分析方法與數(shù)學(xué)理論、諧波分析、視覺感知、計(jì)算機(jī)視覺和信息處理等多門學(xué)科相結(jié)合，相互發(fā)展，也成為研究方向之一．

7）“稀疏逼近”的發(fā)展方向不同的多尺度幾何分析技術(shù)對不同的圖像有不同的稀疏表示能力，如何將變換系數(shù)的能量更加集中，有助于提取和分析圖像的重要特征，得到更稀疏的圖像表示，也是值得研究的方向之一．

8）算法的效率和復(fù)雜度及評價標(biāo)準(zhǔn)目前，已有的多尺度幾何分析算法很多，不少算法的效果還是不錯的，然而各種解決方法都是以計(jì)算復(fù)雜度或冗余度的增加為代價來獲得變換精度的提高，因此，如何在提高算法效率和降低復(fù)雜度之間獲得最優(yōu)的結(jié)果，也是值得研究的方向之一．同時，各種分析算法目前還沒有統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)．一般采用真實(shí)的或由標(biāo)準(zhǔn)測試圖像人工合成的低分辨圖像序列來檢驗(yàn)新算法及改進(jìn)算法，如何對各種變換算法進(jìn)行量化評價，也是值得研究的方向之一

自然語言處理

在本次講座中，老師為我們大致講解了自然語言處理的基本原理和發(fā)展趨勢。自然語言處理是計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域與人工智能領(lǐng)域中的一個重要方向。它研究能實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)之間用自然語言進(jìn)行有效通信的各種理論和方法。自然語言處理是一門融語言學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)于一體的科學(xué)。因此，這一領(lǐng)域的研究將涉及自然語言，即人們?nèi)粘Ｊ褂玫恼Z言，所以它與語言學(xué)的研究有著密切的聯(lián)系，但又有重要的區(qū)別。自然語言處理并不是一般地研究自然語言，而在于研制能有效地實(shí)現(xiàn)自然語言通信的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，特別是其中的軟件系統(tǒng)。因而它是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一部分。

眾所周知，語言是人類區(qū)別其他動物的本質(zhì)特性。在所有生物中，只有人類才具有語言能力。人類的多種智能都與語言有著密切的關(guān)系。人類的邏輯思維以語言為形式，人類的絕大部分知識也是以語言文字的形式記載和流傳下來的。因而，它也是人工智能的一個重要，甚至核心部分。

用自然語言與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，這是人們長期以來所追求的。因?yàn)樗扔忻黠@的實(shí)際意義，同時也有重要的理論意義：人們可以用自己最習(xí)慣的語言來使用計(jì)算機(jī)，而無需再花大量的時間和精力去學(xué)習(xí)不很自然和習(xí)慣的各種計(jì)算機(jī)語言；人們也可通過它進(jìn)一步了解人類的語言能力和智能的機(jī)制。

實(shí)現(xiàn)人機(jī)間自然語言通信意味著要使計(jì)算機(jī)既能理解自然語言文本的意義，也能以自然語言文本來表達(dá)給定的意圖、思想等。前者稱為自然語言理解，后者稱為自然語言生成。因此，自然語言處理大體包括了自然語言理解和自然語言生成兩個部分。歷史上對自然語言理解研究得較多，而對自然語言生成研究得較少。但這種狀況已有所改變。

無論實(shí)現(xiàn)自然語言理解，還是自然語言生成，都遠(yuǎn)不如人們原來想象的那么簡單，而是十分困難的。從現(xiàn)有的理論和技術(shù)現(xiàn)狀看，通用的、高質(zhì)量的自然語言處理系統(tǒng)，仍然是較長期的努力目標(biāo)，但是針對一定應(yīng)用，具有相當(dāng)自然語言處理能力的實(shí)用系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)，有些已商品化，甚至開始產(chǎn)業(yè)化。典型的例子有：多語種數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)的自然語言接口、各種機(jī)器翻譯系統(tǒng)、全文信息檢索系統(tǒng)、自動文摘系統(tǒng)等。

自然語言處理，即實(shí)現(xiàn)人機(jī)間自然語言通信，或?qū)崿F(xiàn)自然語言理解和自然語言生成是十分困難的。造成困難的根本原因是自然語言文本和對話的各個層次上廣泛存在的各種各樣的歧義性或多義性（ambiguity）。

一個中文文本從形式上看是由漢字（包括標(biāo)點(diǎn)符號等）組成的一個字符串。由字可組成詞，由詞可組成詞組，由詞組可組成句子，進(jìn)而由一些句子組成段、節(jié)、章、篇。無論在上述的各種層次：字（符）、詞、詞組、句子、段，??還是在下一層次向上一層次轉(zhuǎn)變中都存在著歧義和多義現(xiàn)象，即形式上一樣的一段字符串，在不同的場景或不同的語境下，可以理解成不同的詞串、詞組串等，并有不同的意義。一般情況下，它們中的大多數(shù)都是可以根據(jù)相應(yīng)的語境和場景的規(guī)定而得到解決的。也就是說，從總體上說，并不存在歧義。這也就是我們平時并不感到自然語言歧義，和能用自然語言進(jìn)行正確交流的原因。但是一方面，我們也看到，為了消解歧義，是需要極其大量的知識和進(jìn)行推理的。如何將這些知識較完整地加以收集和整理出來；又如何找到合適的形式，將它們存入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中去；以及如何有效地利用它們來消除歧義，都是工作量極大且十分困難的工作。這不是少數(shù)人短時期內(nèi)可以完成的，還有待長期的、系統(tǒng)的工作。以上說的是，一個中文文本或一個漢字（含標(biāo)點(diǎn)符號等）串可能有多個含義。它是自然語言理解中的主要困難和障礙。反過來，一個相同或相近的意義同樣可以用多個中文文本或多個漢字串來表示。

因此，自然語言的形式（字符串）與其意義之間是一種多對多的關(guān)系。其實(shí)這也正是自然語言的魅力所在。但從計(jì)算機(jī)處理的角度看，我們必須消除歧義，而且有人認(rèn)為它正是自然語言理解中的中心問題，即要把帶有潛在歧義的自然語言輸入轉(zhuǎn)換成某種無歧義的計(jì)算機(jī)內(nèi)部表示。

自然語言處理發(fā)展至今，任然有著許多有待突破的難點(diǎn)： 單詞的邊界界定、詞義的消除句法的模糊性、有瑕疵的或不規(guī)范的輸入、語言行為與計(jì)劃。未來的自然語言處理發(fā)展必然離不開這些問題的討論。

感知礦山（wsn能量優(yōu)化路由與礦山CPS）

本次講座時由姜老師為我們講解感知礦山----礦山物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)理論和具體是實(shí)例。

我們知道物聯(lián)網(wǎng)是近年來新興起的一種技術(shù)，目前在國際上還沒有形成統(tǒng)一認(rèn)識。美國和歐洲將其視為一種智能的、傳感的、泛在的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。國際電信聯(lián)盟在 2005 年發(fā)表的網(wǎng)絡(luò)報告《ITUInternet Reports 2005 ：The Internet of Things》中也沒有對其的內(nèi)涵進(jìn)行明確的解釋。而在 2009 年 9 月的中歐之間的物聯(lián)網(wǎng)與企業(yè)環(huán)境研討會上，當(dāng)時的歐委會信息社會與媒體司，也就是現(xiàn)在的通信網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和技術(shù)司的部門負(fù)責(zé)人則提出了他們對于物聯(lián)網(wǎng)的理解：物聯(lián)網(wǎng)是全球性的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，它能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)化和能互相操作的通信協(xié)議進(jìn)行自我組織，其中物既包括物理的也包括虛擬的，它有物理屬性、虛擬屬性、身份特征和智能接口，并能夠與信息網(wǎng)絡(luò)做到無縫結(jié)合。無論物聯(lián)網(wǎng)的定義是什么，它都有其核心的四大技術(shù)基礎(chǔ)，即傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物對物的信息交換技術(shù)（M2M）、兩化融合技術(shù)和傳感技術(shù)（RFID）。

現(xiàn)如今，無論是國內(nèi)外學(xué)者、研究機(jī)構(gòu)還是企業(yè)都對物聯(lián)網(wǎng)理論和其應(yīng)用技術(shù)研究非常重視。在我們國家礦山物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)進(jìn)程正在不斷深入，有關(guān)礦山物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的理論模型已經(jīng)逐漸建立起來了，也建立起了礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的開放性標(biāo)準(zhǔn)模型。

礦山作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一個重要發(fā)展區(qū)域，礦山物聯(lián)網(wǎng)是通過各種傳感、信息傳輸、處理技術(shù)、云計(jì)算、自動化控制技術(shù)、現(xiàn)代信息管理等與現(xiàn)代采礦及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)緊密相結(jié)合，構(gòu)成礦山中人與人、人與物、物與物相聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，將原本各自獨(dú)立的作業(yè)體系通過無形的紐帶連成一個整體，并通過集成化的管理平臺提供生產(chǎn)指導(dǎo)、安全調(diào)度、生產(chǎn)經(jīng)營、輔助決策等功能，從而實(shí)現(xiàn)對真實(shí)礦山整體及相關(guān)現(xiàn)象的可視化、數(shù)字化及智慧化以保證礦山企業(yè)的又好又快發(fā)展。

礦山物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)綜合應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和可視化管理理論，主要是通過感知、信息傳遞以及信息處理，來對整個礦山及生產(chǎn)施工現(xiàn)場進(jìn)行系統(tǒng)化、數(shù)字化和可視化的監(jiān)控。潞安集團(tuán)司馬煤業(yè)公司在實(shí)踐中試點(diǎn)應(yīng)用了礦山物聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為我們提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，礦山物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)要將地質(zhì)地理、采礦生產(chǎn)、安全監(jiān)測、產(chǎn)品運(yùn)輸以及生態(tài)環(huán)境等多方面信息進(jìn)行收集并數(shù)字化，把傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)、現(xiàn)代信息管理技術(shù)、現(xiàn)代監(jiān)控技術(shù)等高科技與現(xiàn)代采礦業(yè)的生產(chǎn)加工技術(shù)緊密聯(lián)系起來，最終形成人與人、人與物、物與物的全面聯(lián)系的綜合礦山網(wǎng)絡(luò)，為詳盡地感知和控制礦山生產(chǎn)和運(yùn)營做準(zhǔn)備，以保證整個礦山的安全與和諧。

在煤礦綜合自動化建設(shè)的基礎(chǔ)上,礦山物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的核心問題是“三個感知”,即礦山物聯(lián)網(wǎng)災(zāi)害風(fēng)險,實(shí)現(xiàn)各種災(zāi)害事故的預(yù)警預(yù)報;感知礦工周圍安全環(huán)境,實(shí)現(xiàn)主動式安全保障;礦山物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備工作健康狀況,實(shí)現(xiàn)預(yù)知維修?！叭齻€感知”的目標(biāo)是減災(zāi)保安全為了實(shí)現(xiàn)“三個感知”,需要研究開發(fā)礦山特有的感知與測量技術(shù)。許多地質(zhì)參數(shù)與巖層運(yùn)動規(guī)律是影響礦山安全的關(guān)鍵因素,如地下水賦存情況、瓦斯與煤突出、巖層受力與沖擊地壓、采空區(qū)發(fā)火等。目前對這些影響煤礦安全的重要因素的感知技術(shù)還不是很成熟。電磁幅射、聲發(fā)射、透地成像、微振監(jiān)測、紅外視覺識別等技術(shù)是研制礦用感知傳感器的熱點(diǎn)技術(shù)。還應(yīng)加強(qiáng)各類新型MEMS傳感器的研制。

需要利用先進(jìn)智能傳感器與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對煤礦有關(guān)環(huán)境與地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時采集,根據(jù)采集的數(shù)據(jù)與理論分析,研究煤炭資源開采尤其是深部資源開采中重大災(zāi)害的成因、預(yù)測預(yù)報理論以及防治對策等關(guān)鍵問題;重點(diǎn)研究煤與瓦斯突出、礦井突水、頂板冒落與沖擊地壓等突發(fā)性動力災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理、礦山重大災(zāi)害應(yīng)急救援與事故分析理論與技術(shù),為深部資源開發(fā)中重大災(zāi)害事故的預(yù)測、預(yù)報和防治提供可靠的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

與煤礦生產(chǎn)密切相關(guān)的大型設(shè)備有很多,有些設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況會直接影響工作人員的生命安全,因此,對這些大型設(shè)備進(jìn)行實(shí)時的健康狀況監(jiān)測一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。煤礦生產(chǎn)過程監(jiān)測和控制與地面工廠生產(chǎn)線有很大的不同,這就是煤礦生產(chǎn)過程始終需要與許多未知的因素打交道,這些未知因素對煤礦安全生產(chǎn)起著決定性的影響作用。因而需要研究煤礦生產(chǎn)工作面各種設(shè)備的聯(lián)動控制與煤層、頂?shù)装宓年P(guān)系,建立擬人化控制模型。目前,開展了基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦井下采煤裝備遠(yuǎn)程定位、煤巖識別、大型設(shè)備姿態(tài)控制等技術(shù)的研究;在礦山機(jī)電設(shè)備變載荷的特殊工況、摩擦磨損的監(jiān)測和診斷方面具有明顯特色,形成了系列理論成果,開發(fā)了專用的實(shí)驗(yàn)裝置。

第二篇：學(xué)科前沿講座總結(jié)

學(xué)科前沿系列講座

專 業(yè)：飛行器適航技術(shù)班 級：學(xué) 號：姓 名：陳昌浩日 期：小結(jié)

01071401 2014300465 月20日 光陰似箭，日月如梭，轉(zhuǎn)眼之間我已經(jīng)成為了一名大三的學(xué)生。在大一大二充分學(xué)習(xí)了基礎(chǔ)學(xué)科知識以后，終于在大三能接觸到專業(yè)相關(guān)的課程。

在前兩年的基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)過程中，我對航空專業(yè)的發(fā)展方面和前景以及研究方向各方面其實(shí)并不十分了解，但是學(xué)科前沿講座給了我機(jī)會讓我了解到更多本學(xué)科的一些先進(jìn)技術(shù)，讓我對航空系統(tǒng)中電子系統(tǒng)的領(lǐng)域有了更多更全面的認(rèn)識，同時也給了我很大的啟發(fā)，讓我燃起了斗志，為航空事業(yè)的前沿科學(xué)研究貢獻(xiàn)自己的力量，在短短的四周課時時間里，學(xué)校為我們先后安排了四位赫赫有名的教授，有姜洪開教授，宋東教授，張安教授和馬存寶教授。由于時間限制和我們有限的知識水平，老師們都從大處著眼，為我們大概介紹了他們的研究方向和內(nèi)容，同時還簡單向我們介紹這些研究將來的實(shí)際意義，以及和我們飛行器適航專業(yè)的聯(lián)系。在每次短短的兩小節(jié)課中我都被他們研究的這些東西深深吸引著。也許理論上邏輯上的很專業(yè)的知識，我們沒有學(xué)到多少，但老師們利用不到兩個小時的時間，就基本上將一個新的領(lǐng)域在我們的腦海中勾勒了出來，使我們真正了解到與工程實(shí)際應(yīng)用有直接聯(lián)系的科學(xué)研究。雖然好多東西以我現(xiàn)在的水平還不能弄懂，但卻讓我看到我們航空專業(yè)的前景——只要努力學(xué)好知識，總有用武之地的。通過這些課程，我收獲頗多。

上課期間，老師們?yōu)槲覀冎v述了火控系統(tǒng)、航空電子系統(tǒng)、飛機(jī)通信導(dǎo)航與雷達(dá)系統(tǒng)、飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與深度學(xué)習(xí)這四方面的內(nèi)容，在讓我們大開眼界的同時，也讓我們對這些研究產(chǎn)生了濃厚的興趣。

第一堂課張安老師為我們講了火控系統(tǒng)，張安老師是航空學(xué)院綜合技術(shù)與控制工程系的教授，張老師對火控系統(tǒng)的了解相當(dāng)深入，從火控系統(tǒng)的發(fā)展歷史給我們講起，武器火控系統(tǒng)是控制武器自動或半自動地實(shí)施瞄準(zhǔn)與發(fā)射的裝備的總稱。武器火力控制系統(tǒng)的簡稱?，F(xiàn)代火炮、坦克炮、戰(zhàn)術(shù)火箭和導(dǎo)彈、機(jī)載武器(航炮、炸彈和導(dǎo)彈)、艦載武器(艦炮、魚雷、導(dǎo)彈和深水炸彈)等大多配有火控系統(tǒng)。非制導(dǎo)武器配備火控系統(tǒng)，可提高瞄準(zhǔn)與發(fā)射的快速性與準(zhǔn)確性，增強(qiáng)對惡劣戰(zhàn)場環(huán)境的適應(yīng)性，以充分地發(fā)揮武器的毀傷能力。制導(dǎo)武器配備火控系統(tǒng)，由于發(fā)射前進(jìn)行了較為準(zhǔn)確的瞄準(zhǔn)，可改善其制導(dǎo)系統(tǒng)的工作條件，提高導(dǎo)彈對機(jī)動目標(biāo)的反應(yīng)能力，減少制導(dǎo)系統(tǒng)的失誤率。

張老師告訴我們，戰(zhàn)斗機(jī)的火控系統(tǒng)主要指的是：機(jī)載雷達(dá)、探測器、顯示器和火控計(jì)算機(jī)等。為完成作戰(zhàn)任務(wù)，火控系統(tǒng)必須能對機(jī)上所攜帶的各種機(jī)載武器或其他外掛物進(jìn)行管理和控制，以實(shí)現(xiàn)對敵空中、地面、水上和水下各種運(yùn)動的或靜止的、可視的或不可視的目標(biāo)，進(jìn)行搜索、識別、跟蹤、瞄準(zhǔn)與實(shí)施各種攻擊方式的武器發(fā)射、制導(dǎo)、戰(zhàn)果記錄等整個作戰(zhàn)行動過程的控制和監(jiān)控?？梢哉f，火控系統(tǒng)直接關(guān)系到戰(zhàn)斗的成敗！

經(jīng)過第一次課的熏陶，我對學(xué)科前沿研究產(chǎn)生了濃厚的興趣，抱著期待的心，迎來了宋東老師帶來的航空電子系統(tǒng)的講解。宋東老師是西北工業(yè)大學(xué)教授、碩導(dǎo)，學(xué)科專業(yè)是通信與信息系統(tǒng)、載運(yùn)工具、運(yùn)用工程，研究方向包含航空電子技術(shù)以及飛行器適航性等，可以說是恰好和我在學(xué)的專業(yè)達(dá)成一致。

宋老師為我們講解了航空電子系統(tǒng)發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢以及各個階段的優(yōu)劣性，航空電子系統(tǒng)走過了漫長的發(fā)展道路，至今已經(jīng)歷了四代，每一代系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不斷演變，都進(jìn)一步推動航空電子技術(shù)的發(fā)展，成為劃時代的主要依據(jù)。基本上經(jīng)歷了分立、聯(lián)合、綜合到高度綜合這四個階段。

第一代航空電子系統(tǒng)為分立式結(jié)構(gòu)，不存在中心計(jì)算機(jī)對整個系統(tǒng)的控制并且缺少靈活性，難以實(shí)現(xiàn)大量的信息交換；第二代稱為聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)，其子系統(tǒng)相對獨(dú)立，降低了研制經(jīng)費(fèi)且便于維護(hù)、更改和功能擴(kuò)充；第三代稱為綜合式航空電子系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次化，功能標(biāo)準(zhǔn)模塊標(biāo)準(zhǔn)化，數(shù)據(jù)總線高速化，兼有成本低和維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)；第四代稱為先進(jìn)的綜合航空電子系統(tǒng)，采用了綜合核心處理機(jī)（ICP）技術(shù)，具有更大的綜合范圍和更高的綜合程度，實(shí)現(xiàn)了綜合傳感器系統(tǒng)、綜合飛行器管理系統(tǒng)，外掛系統(tǒng)。未來的航空電子系統(tǒng)會進(jìn)一步朝著綜合化、信息化和智能化的方向發(fā)展。

第三次課時馬存寶老師帶來的飛機(jī)通信導(dǎo)航與雷達(dá)系統(tǒng)的講解，馬存寶老師是我們學(xué)校的博士生導(dǎo)師，馬老師的講課方式幽默生動，從自己講師的一次經(jīng)歷講起，生動的告訴我們，每一堂課都可能是改變?nèi)艘簧恼n程，它可能會影響你今后的從事方向和人生軌跡。和之前一樣，老師也為我們講解了機(jī)通信導(dǎo)航與雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展歷程。航電系統(tǒng)在現(xiàn)代航空和航天工程電子系統(tǒng)中是重要的系統(tǒng)之一，它按功能分為通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、目標(biāo)識別、遙測、遙控、遙感、火控、制導(dǎo)、電子對抗等系統(tǒng)。微電子技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)則是提高各種電子系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)。

馬老師以馬航失聯(lián)為例，為我們講解了通信系統(tǒng)的構(gòu)成和作用，它實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)與地面的互聯(lián)，飛機(jī)與飛機(jī)的相互通信，機(jī)組成員的通話，機(jī)艙內(nèi)的廣播試聽等娛樂，系統(tǒng)一般包括飛行器上的電子系統(tǒng)和相應(yīng)的地面電子系統(tǒng)兩部分，這兩部分通過電磁波傳輸信號合成為一個系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)通訊。發(fā)電報的設(shè)備實(shí)時自動的吧航班運(yùn)行的數(shù)據(jù)，包括經(jīng)緯度、飛行高度以及速度等數(shù)據(jù)持續(xù)不斷的發(fā)回航空公司。監(jiān)控終端設(shè)備在飛機(jī)起飛后實(shí)時接收飛機(jī)發(fā)出的信息，機(jī)載應(yīng)答設(shè)備通過對講機(jī)一樣的東西，使得飛行員和地面空管人員建立實(shí)時聯(lián)系。此外飛機(jī)通信系統(tǒng)不僅能用于飛機(jī)上，還能用于衛(wèi)星定位等關(guān)鍵地方。飛機(jī)上載有的黑匣子能儲存飛機(jī)的各方面信息，便于對飛機(jī)的搜救和事故的分析?？梢哉f這一套系統(tǒng)不僅在民用上起到很大的作用，在軍事上也起到了至關(guān)重要的作用。

最后一堂課由姜洪開老師為我們講解飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與深度學(xué)習(xí)，姜洪開老師是西工大教授和博士生導(dǎo)師，研究方向是飛行器故障預(yù)測與健康管理，過硬的專業(yè)知識使得這節(jié)課內(nèi)容十分充實(shí)。

姜老師直擊重點(diǎn)為我們介紹起了飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與深度學(xué)習(xí)的知識，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)最早就起源于航空航天領(lǐng)域，最初的目的主要是進(jìn)行結(jié)構(gòu)的在和監(jiān)測。隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的日益大型化、復(fù)雜化和智能化的發(fā)展，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的內(nèi)容逐漸豐富起來，不再是單純的在和監(jiān)測，而是向結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測、損傷定位、結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測等方面發(fā)展。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是一門綜合技術(shù)，涉及到結(jié)構(gòu)動力學(xué)、信息技術(shù)、傳感技術(shù)、設(shè)計(jì)優(yōu)化等多個學(xué)科。、深度學(xué)習(xí)起源于對人腦視覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究?？茖W(xué)家通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)人腦的視覺神經(jīng)系統(tǒng)對視覺信息的處理是一個不斷抽象、不斷迭代的過程。深度學(xué)習(xí)可以將復(fù)雜的問題層次化，通過對每一個層次的研究使問題簡單化，適合于對復(fù)雜函數(shù)的表達(dá)。如表示函數(shù)log(cos(exp(sin3(x))))，普通的淺層學(xué)習(xí)只能通過原本的表達(dá)式表示這個函數(shù)，復(fù)雜而且容易出現(xiàn)不可更改的錯誤。而深度學(xué)習(xí)可以將上述函數(shù)分為sin(x)，x3，exp(x)，cos(x)，log(x)五層，每一層只表示出該層的關(guān)鍵信息，大大減少了每一層的計(jì)算量，并且如果其中一層出現(xiàn)錯誤，它之后的層次可以對該層錯誤進(jìn)行一定程度的彌補(bǔ)[iii]。深度學(xué)習(xí)這一特點(diǎn)極其適合于運(yùn)用到計(jì)算復(fù)雜的航空航天領(lǐng)域的數(shù)據(jù)分析之中，它的一定程度的糾錯能力也符合航空航天領(lǐng)域的高精確度、低錯誤率的要求。并且，目前為止，世界各國甚至創(chuàng)業(yè)公司已經(jīng)進(jìn)行了大量的航天器發(fā)射、飛行、返回實(shí)驗(yàn)，積累了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)航空航天領(lǐng)域、深度學(xué)習(xí)及遷移學(xué)習(xí)的相關(guān)知識，深度學(xué)習(xí)與遷移學(xué)習(xí)在航空航天領(lǐng)域中的可能應(yīng)用有如下幾條：航空器航天器各類部件的故障判斷；對航空器航天器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；對新研發(fā)航空器航天器進(jìn)行預(yù)判、模擬。盡管目前深度學(xué)習(xí)及遷移學(xué)習(xí)要實(shí)際應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域還十分困難，但是隨著計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的不斷發(fā)展以及在各行各業(yè)中越來越廣泛的運(yùn)用，深度學(xué)習(xí)及遷移學(xué)習(xí)在將來必將為航空航天領(lǐng)域做出自己的貢獻(xiàn)。

短短的四周時間很快就過去了，這四周時間里不僅讓我見識到了老師如此優(yōu)秀的研究成果，同時也給迷茫的自己指明了新的方向，這些課程并不像基礎(chǔ)課程那樣聽起來很困難需要自己去理解記憶公式，但是卻給了我更大的啟發(fā)和思考的空間，使我更加不忘初心，繼續(xù)腳踏實(shí)地打好自己的基礎(chǔ)，努力專研專業(yè)知識，為今后參與這些優(yōu)秀先進(jìn)的研究充分的準(zhǔn)備自己，為中國的航空先進(jìn)研究貢獻(xiàn)出自己的一份力！

第三篇：材料學(xué)科前沿講座總結(jié)

材料學(xué)科前沿講座總結(jié)

生物醫(yī)用高分子

一.引言

生物醫(yī)用功能材料即醫(yī)用仿生材料，又稱為生物醫(yī)用材料。這類材料是用于與生命系統(tǒng)接觸并發(fā)生相互作用，能夠?qū)?xì)胞、組織和器官進(jìn)行診斷治療、替換修復(fù)或誘導(dǎo)再生的天然或人工合成的特殊功能材料。隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展和醫(yī)學(xué)科學(xué)的進(jìn)步，生物醫(yī)用功能材料的應(yīng)用越來越廣泛。從高分子醫(yī)療器械到具有人體功能的人工器官，從整形材料到現(xiàn)代醫(yī)療儀器設(shè)備，幾乎涉及到醫(yī)學(xué)的各個領(lǐng)域，都有使用醫(yī)用高分子材料的例子。醫(yī)用高分子材料所用的材料種類已由最初的幾種，發(fā)展到現(xiàn)在的幾十種，其制品種類已有上千種。

目前，生物醫(yī)用功能材料應(yīng)用很廣泛，幾乎涉及到醫(yī)學(xué)的各個領(lǐng)域。其大致可分為機(jī)體外使用與機(jī)體內(nèi)使用兩大類。機(jī)體外用的材料主要是制備醫(yī)療用品，如輸液袋、輸液管、注射器等。由于這些高分子材料成本低、使用方便，現(xiàn)已大量使用。機(jī)體內(nèi)用材料又可分為外科用和內(nèi)科用兩類。外科方面有人工器官、醫(yī)用黏合劑、整形材料等。內(nèi)科用的主要是高分子藥物。所謂高分子藥物，就是具有藥效的低分子與高分子載體相結(jié)合的藥物，它具有長效、穩(wěn)定的特點(diǎn)。二.發(fā)展歷史

生物醫(yī)用高分子材料的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段，第一階段始于1937年，其特點(diǎn)是所用高分子材料都是已有的現(xiàn)成材料，如用丙烯酸甲酯制造義齒的牙床。第二階段始于1953年，其標(biāo)志是醫(yī)用級有機(jī)硅橡膠的出現(xiàn)，隨后又發(fā)展了聚羥基乙酸酯縫合線以及四種聚酯心血管材料，從此進(jìn)入了以分子工程研究為基礎(chǔ)的發(fā)展時期。該階段的特點(diǎn)是在分子水平上對合成高分子的組成、配方和工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有目的地開發(fā)所需要的高分子材料。目前的研究焦點(diǎn)已經(jīng)從尋找替代生物組織的合成材料轉(zhuǎn)向研究一類具有主動誘導(dǎo)、激發(fā)人體組織器官再生修復(fù)的新材料，這標(biāo)志著生物醫(yī)用高分子材料的發(fā)展進(jìn)入了第三個階段。其特點(diǎn)是這種材料一般由活體組織和人工材料有機(jī)結(jié)合而成，在分子設(shè)計(jì)上以促進(jìn)周圍組織細(xì)胞生長為預(yù)想功能，其關(guān)鍵在于誘使配合基和組織細(xì)胞表面的特殊位點(diǎn)發(fā)生作用以提高組織細(xì)胞的分裂和生長速度。

三.基本性能要求 1.力學(xué)性能穩(wěn)定

在使用期限內(nèi)，針對不同的用途，材料的尺寸穩(wěn)定性、耐磨性、耐疲勞度、強(qiáng)度、模量等應(yīng)適當(dāng)。比如，用超高分子量聚乙烯材料做人工關(guān)節(jié)時，應(yīng)該用模量高、耐疲勞強(qiáng)度好、耐磨性好的材料。2.化學(xué)性能穩(wěn)定

作為生物材料，化學(xué)性能必須穩(wěn)定，對人體的血液、體液等無影響，不形成血栓等不良影響。人體是一個相當(dāng)復(fù)雜的環(huán)境，血液在正常環(huán)境下呈現(xiàn)微堿性，胃液呈酸性，且體液與血液中含有大量的鉀、鈉、鎂離子，含有多種生物酶、蛋白質(zhì)、人體的環(huán)境易引起聚合物的降解、交聯(lián)及氧化反應(yīng)；生物酶會引起聚合物的解聚；體液會引起高分子材料中的添加劑析出；血液中的脂類、類固醇以及脂肪等會引起聚合物的溶脹，使得材料的強(qiáng)度降低。例如聚氨酯中含有的酰胺基極易水解，在體內(nèi)會降解而失去強(qiáng)度，經(jīng)過嵌段改性后，化學(xué)穩(wěn)定性提高。

3.與人體的組織相容性好

醫(yī)用材料必須與人體的組織相容性好，不會引起炎癥或其他排異反應(yīng)材料，所引起的宿主反應(yīng)應(yīng)該能夠控制在一定可以接受的范圍之內(nèi)。一些含有對人體有毒有害的基團(tuán)是不能用作生物醫(yī)用功能材料的，如有些添加劑對人體有害或有些殘留單體對人體有不良影響等，這都應(yīng)該引起極度的警惕。有些添加劑會隨時間的變化，從材料內(nèi)部逐漸遷移到表面與體液和組織發(fā)生作用，引起各種急性和慢性的反應(yīng)。4.無致癌性，耐生物老化

無致癌性，耐生物老化，長期放置體內(nèi)的材料及物理機(jī)械性能不發(fā)生明顯的變化。生物醫(yī)用藥用功能材料植入人體時，除應(yīng)該考慮材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)外，另外還應(yīng)該考慮其形狀因素。引起癌變的因素是多方面的，有化學(xué)因素、物理因素以及病毒等。應(yīng)用高分子材料植入人體后，其本身的性能以及它所包含的雜質(zhì)、殘余單體等都有可能引起和眾多副反應(yīng)的發(fā)生。研究表明，高分子材料對人體并不存在更多的致癌因素。5.易于加工成型并且來源廣泛

除上述一般要求外，根據(jù)用途的不同和植入部位的不同有著各自的特殊要求，如與血液接觸的不能產(chǎn)生凝血，眼科材料應(yīng)對角膜無刺激，注射整形材料要求注射前流動性好，注射后固化要快等。作為體外時用的材料，要求對皮膚無害，不導(dǎo)致皮膚過敏，耐汗水等侵蝕，耐消毒而不變質(zhì)。人工器官還要求材料應(yīng)具有良好的加工性能，易于加工成所需的各種復(fù)雜形狀?？偠灾?，不同的用途有著許多特殊的要求。

四、醫(yī)用高分子材料分類 1.高分子人造器官

高分子人造器官主要包括人造心臟、人造肺、人造腎臟等內(nèi)臟器官；人造血管、人造骨骼等體外器官；人造假肢等。由于這些人造器官需要長時間與人體細(xì)胞、體液和血液接觸，因此此類材料除了需要具備特殊的功能外，還要求材料安全無毒，穩(wěn)定性好，具備良好的生物相容性。大多數(shù)的高分子本身對生物體并無毒副作用，不產(chǎn)生不良影響，毒副作用往往來自于高分子生產(chǎn)時加入的添加劑，如抗氧劑、增塑劑、催化劑以及聚合不完全產(chǎn)生的低分子聚合物。因此對材料的添加劑需要仔細(xì)選擇，對高分子人造器官應(yīng)進(jìn)行生物體測定。人造器官在使用前的滅菌也是重要的一個環(huán)節(jié)。另外，人造器官要求在使用條件下材料不能發(fā)生水解、降解和氧化反應(yīng)等。2.高分子治療材料 用于治療用的功能高分子材料主要包括牙科材料、眼科材料、美容材料和外用治療用材料。對這種材料的基本要求首先也是穩(wěn)定性和相容性好，無毒副作用；其次才是機(jī)械性能和使用性能。例如，人工晶狀體以前多用硅玻璃水晶體，后采用硅橡膠球，也可以用甲基丙稀酸環(huán)和甲基丙烯酸丁酯的共聚物來提高其折光性和韌性。20世紀(jì)80年代初，聚乙烯醇水凝膠被用來制造人工玻璃體，PVA水凝膠的特性與玻璃體比較接近，注入后可以與玻璃體完全融合。3.高分子包裝材料

用于藥物包裝的高分子材料正逐年增加。包裝藥物的高分子材料大體上可分為軟、硬兩種類型。硬型材料如聚酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯等，由于其強(qiáng)度高、透明性好、尺寸穩(wěn)定、氣密性好，常用來代替玻璃容器和金屬容器，制造飲片和膠囊等固體制劑的包裝。新型聚酯聚萘二甲酸乙二醇酯除具有優(yōu)異的力學(xué)性能及阻隔性能外，還有較強(qiáng)的耐紫外線性，可用于口服液、糖漿等的熱封裝。軟型材料如聚乙烯、聚丙烯、聚偏氯乙烯及乙烯-醋酸乙烯共聚物等，常加工成復(fù)合薄膜，主要用來包裝固體沖劑、片劑等藥物。而半硬質(zhì)聚氯乙烯片材則被用作片劑、膠囊的鋁塑泡罩包裝的泡罩材料。至于藥膏、洗劑、酊劑等外用藥液的包裝，則用耐腐蝕性極強(qiáng)且綜合性能優(yōu)良的聚四氟乙烯來擔(dān)任。

五、小結(jié)

醫(yī)用高分子的發(fā)展已經(jīng)滲透到醫(yī)學(xué)的各個領(lǐng)域，但離隨心所欲地應(yīng)用高分子醫(yī)用材料的目標(biāo)尚有許多差距。傳統(tǒng)的醫(yī)用高分子材料多采用聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯作為硬組織材料，但它們的性能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。醫(yī)用高分子材料在許多方面尚有待進(jìn)一步發(fā)展。

迄今為止，許多人工臟器還不能解決凝血問題，異體材料的抗凝血性已成為醫(yī)用高分子材料發(fā)展的一個重要的問題，制備生物相容性好、具有抗血栓性能的材料已成為目前的一個重要的課題。研究開發(fā)混合型人工臟器，將生物酶和生物細(xì)胞固定在高分子材料上，制備具有生物活性的人工臟器已取得很大的成就。醫(yī)用材料近些年來研究效果顯著，但目前仍然處于經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)階段。由于醫(yī)用材料與肌體組織在結(jié)構(gòu)、功能、代謝、生物化學(xué)行為和生物力學(xué)特性方面具有差異，這些材料往往被生物體看作異物，從而不被生物體接受。考慮如何才能使植入材料整合，使得組織重建并建立在分子設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上以材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系、材料的化學(xué)組成表面性質(zhì)和生命體組織的相容性之間的關(guān)系為依據(jù)，從而研究開發(fā)新材料才是重要課題。

PVC復(fù)合材料

一、引言

二十世紀(jì)30年代廣泛發(fā)展起來的以塑料為代表的聚合物，已具有越來越重要的地位。塑料工業(yè)在當(dāng)今世界已成為新型的材料工業(yè)，塑料已經(jīng)和鋼材、木材、水泥并列為4大基本材料，而今作為塑料原料的合成樹脂產(chǎn)量多年來始終以高速增長。到上實(shí)際90年代中期已經(jīng)突破一億噸。二十一世紀(jì)能源工業(yè)、材料工業(yè)、信息工業(yè)將是世界經(jīng)濟(jì)的三大支柱產(chǎn)業(yè)。塑料工業(yè)將創(chuàng)造各種各樣性能的材料，為世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展注入強(qiáng)大的動力。PVC作為通用樹脂之一，具有價廉、阻燃性能優(yōu)良、絕緣性能好、耐腐蝕等優(yōu)良的綜合性能和價格低廉、原材料來源廣泛的優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛的應(yīng)用于建筑、包裝及汽車工業(yè)等領(lǐng)域，其產(chǎn)量僅次于聚乙烯(PE)而居世界樹脂產(chǎn)量的第二位。硬質(zhì)PVC塑料具有硬度大、剛性和強(qiáng)度大、耐腐蝕、耐老化性優(yōu)良、電絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)，且價格便宜。近年來硬質(zhì)品發(fā)展迅速，其中硬質(zhì)擠出制品如管材、板材、異型材等正被用來代替鋼材、木材等制造管道、板材、建筑結(jié)構(gòu)材料、裝飾材料以及各種嵌條。廣泛應(yīng)用于建筑、化工、醫(yī)學(xué)、電子、輕工、農(nóng)業(yè)及交通等部門。

我國硬質(zhì)PVC制品比例甚小，無論在樹脂品級、改性劑的研究、生產(chǎn)、加工設(shè)各改良及制品市場開拓諸方面有待發(fā)展。作為結(jié)構(gòu)材料，硬質(zhì)PVC制品面臨的主要技術(shù)難點(diǎn)是：材料脆性大、耐熱變形性差及熱穩(wěn)定性差、加工性能不佳等，這在一定程度上使它的應(yīng)用受到限制。為了改進(jìn)這些性能，國內(nèi)外自上世紀(jì)70年代起開始大規(guī)模的開展PVC改性的研究，內(nèi)容涉及增韌、增強(qiáng)、提 高耐熱性能、賦予PVC特種功能等方面，迸一步拓寬了PVC的應(yīng)用領(lǐng)域。國外常用PVC共混物來替代價格昂貴的工程塑料，大大提高了PVC的使用價值。PVC的增韌增強(qiáng)改性引起了世界各國學(xué)者廣泛的關(guān)注，并展開了大量的研究工作。

二、PVC的改性 1.共混改性PVC 塑料共混改性是指在一種樹脂中摻入一種或多種其它樹脂(包括塑料和橡膠)。從而達(dá)到改變原有樹脂性能的一種改性方法。共混方法是高分子材料改性最常用的方法，共混物中各聚合物組分之間主要是物理結(jié)合，共混物的形態(tài)結(jié)構(gòu)取決于聚合物之間的熱力學(xué)相容性、聚合物的組分特性、實(shí)施共混的方法和工藝條件等多方面的因素影響。PVC與其他性能相對優(yōu)良的材料共混，可以提高PVC的性能。如PVC與ABS共混，能提高PVC的拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和加工性能。PVC與ACR或CPE共混，能顯著提高PVC沖擊強(qiáng)度和加工性能.制備共混物的方法主要有：1．機(jī)械共混法：將諸聚合物組分在混合設(shè)備如高速混合機(jī)、雙輥混煉機(jī)、擠出機(jī)中均勻混合。2．溶液共混法：系將各聚合物組分溶解于共同溶劑中再除去溶劑即得到聚合物共混物。3．乳液共聚法：將不同聚合物的乳液均勻混合再共沉析而得的共混物。溶液共混法適用于易溶聚合物和某些液態(tài)聚合物共混物以溶液狀態(tài)被應(yīng)用的情況。4．共聚一共聚法：這是制備共混物的化學(xué)方法。該法又有接枝共聚一共混與嵌段共聚一共混之分，在制取聚合物共混物方面，接枝共聚一共混法更為重要。5各種互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物(IPN)技術(shù),IPN法形成了互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物，是一種以化學(xué)法制備物理共混物的方法。

2.3納米復(fù)合技術(shù)改性PVC 研究表明，任何材料進(jìn)入納米尺寸(1～100nm)時都會具有奇異或反常的特性，表面界面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等。這些特性使納米微粒結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出奇異的物理、化學(xué)特性，具有卓越的光、力、電、熱、放射、吸收等特殊功能。聚合物納米復(fù)合材料是以聚合物為基體、填充顆 粒以納米尺度(小于100nm)分散于基體中的新型高分子復(fù)合材料。與傳統(tǒng)的復(fù)合材料相比，由于納米粒子帶來的納米效應(yīng)和納米粒子與基體間強(qiáng)的界面相互作用，聚合物納米復(fù)合材料具有優(yōu)于相同組分常規(guī)聚合物復(fù)合材料的力學(xué)、熱學(xué)性能，為制各高性能、多功能的新一代復(fù)合材料提供了可能。

近年來，利用將納米材料分散于聚合物中以提高聚合物材料性能的研究日趨活躍。研究較多的復(fù)合技術(shù)主要有：納米粒子增韌增強(qiáng)PVC、納米插層復(fù)合物增韌增強(qiáng)PVC、分子復(fù)合納米材料增韌增強(qiáng)PVC、原位復(fù)合材料增韌增強(qiáng)PVC、納米晶須增韌增強(qiáng)PVC及納米級聚合物微纖增韌增強(qiáng)PVC等。2.4添加改性助劑在PVC中

塑料添加改性是指在聚合物(樹脂)中加入小分子無機(jī)物或有機(jī)物，通過物理或化學(xué)作用，以取得某種預(yù)期性能的一種改性方法。塑料的添加改性是開發(fā)最早的一種改性方法，它改性效果明顯，工藝簡單，成本低，因而應(yīng)用十分廣泛.塑料添加改性按添加劑的性質(zhì)可以分成無機(jī)添加改性和有機(jī)添加改性兩種。無機(jī)添加改性是指在塑料中添加無機(jī)添加劑的一類改性，常用的無機(jī)添加劑主要有：填充劑、增強(qiáng)劑、阻燃劑、著色劑及成核劑等。有機(jī)添加改性是指在塑料中添加有機(jī)添加劑的一類改性，常用的有機(jī)添加劑主要有：增塑劑、有機(jī)錫穩(wěn)定劑、抗氧劑從有機(jī)阻燃劑等。

PVC的改性助劑主要包括增塑劑、抗沖劑、熱穩(wěn)定劑、潤滑劑等幾大類。

三、小結(jié)

PVC是一種通用塑料，價格低廉，應(yīng)用廣泛，但其韌性差、穩(wěn)定性差，通過不同的方式對其進(jìn)行改性復(fù)合，不僅可以使PVC達(dá)到增強(qiáng)、增韌的目的，還會賦予PVC一些特殊性能（如高阻隔性、高導(dǎo)電性、高阻燃、抑氧、尺寸穩(wěn)定性、優(yōu)良的光學(xué)性能等）。隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，PVC改性復(fù)合材料的市場前景非?？春?，在高性能化和功能化方面具有潛在的市場。

航空航天材料

一、簡介

航空航天材料是指飛行器及其動力裝置、附件、儀表所用的各類材料，是航空航天工程技術(shù)發(fā)展的決定性因素之一。也是航空航天材料科學(xué)是材料科學(xué)中富有開拓性的一個分支。18世紀(jì)60年代發(fā)生的歐洲工業(yè)革命使紡織工業(yè)、冶金工業(yè)、機(jī)器制造工業(yè)得到很大的發(fā)展，從而結(jié)束了人類只能利用自然材料向天空挑戰(zhàn)的時代。1903年美國萊特兄弟制造出第一架裝有活塞式航空發(fā)動機(jī)的飛機(jī),當(dāng)時使用的材料有木材(占47%),鋼（占35%）和布（占18%）,飛機(jī)的飛行速度只有16公里/時。1906年德國冶金學(xué)家發(fā)明了可以時效強(qiáng)化的硬鋁，使制造全金屬結(jié)構(gòu)的飛機(jī)成為可能。40年代出現(xiàn)的全金屬結(jié)構(gòu)飛機(jī)的承載能力已大大增加，飛行速度超過了600公里/時。在合金強(qiáng)化理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一系列高溫合金使得噴氣式發(fā)動機(jī)的性能得以不斷提高。50年代鈦合金的研制成功和應(yīng)用對克服機(jī)翼蒙皮的“熱障”問題起了重大作用，飛機(jī)的性能大幅度提高,最大飛行速度達(dá)到了3倍音速。40年代初期出現(xiàn)的德國 V-2火箭只使用了一般的航空材料。50年代以后，材料燒蝕防熱理論的出現(xiàn)以及燒蝕材料的研制成功，解決了彈道導(dǎo)彈彈頭的再入防熱問題。60年代以來,航空航天材料性能的不斷提高,一些飛行器部件使用了更先進(jìn)的復(fù)合材料，如碳纖維或硼纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料等，以減輕結(jié)構(gòu)重量。返回型航天器和航天飛機(jī)在再入大氣層時會遇到比彈道導(dǎo)彈彈頭再入時間長得多的空氣動力加熱過程，但加熱速度較慢，熱流較小。采用抗氧化性能更好的碳-碳復(fù)合材料、陶瓷隔熱瓦等特殊材料可以解決防熱問題。

二、基本性能要求 1.高的比強(qiáng)度和比剛度

對飛行器材料的基本要求是：材質(zhì)輕、強(qiáng)度高、剛度好。減輕飛行器本身的結(jié)構(gòu)重量就意味著增加運(yùn)載能力，提高機(jī)動性能，加大飛行距離或射程，減少燃油或推進(jìn)劑的消耗。因此比強(qiáng)度和比剛度是衡量航空航天材料力學(xué)性能優(yōu)劣的重要參數(shù)。同時飛行器除了受靜載荷的作用外還要經(jīng)受由于起飛和降落、發(fā)動機(jī)振動、轉(zhuǎn)動件的高速旋轉(zhuǎn)、機(jī)動飛行和突風(fēng)等因素產(chǎn)生的交變載荷，因此材料的疲勞性能也受到人們極大的重視。2.優(yōu)良的耐高溫性質(zhì)

航空材料要能耐受較高的工作溫度。對機(jī)身材料，氣動力加熱效應(yīng)使表面溫度升高，需要結(jié)構(gòu)材料具有好的高溫強(qiáng)度；對發(fā)動機(jī)材料，要求渦輪盤和渦輪葉片材料要有好的高溫強(qiáng)度和耐高溫腐蝕性能。3.耐老化、耐腐蝕

各種介質(zhì)和大氣環(huán)境對材料的作用表現(xiàn)為腐蝕和老化。航空航天材料接觸的介質(zhì)是飛機(jī)用燃料(如汽油、煤油)、火箭用推進(jìn)劑（如濃硝酸、四氧化二氮、肼類）和各種潤滑劑、液壓油等。其中多數(shù)對金屬和非金屬材料都有強(qiáng)烈的腐蝕作用或溶脹作用。在大氣中受太陽的輻照、風(fēng)雨的侵蝕、地下潮濕環(huán)境中長期貯存時產(chǎn)生的霉菌會加速高分子材料的老化過程。所以耐腐蝕性能、抗老化性能、抗霉菌性能也是航空航天材料應(yīng)該具備的良好特性。4.壽命長以及安全性高

作為載人技術(shù)的支撐材料，安全因素是必須考慮在內(nèi)的。同時要注意的是，在不斷減少飛機(jī)質(zhì)量的同時，更加不能忽視因質(zhì)量減少而導(dǎo)致安全性減小現(xiàn)象的產(chǎn)生。5.成本要低

新型號的先進(jìn)飛機(jī)價格不斷攀升，各航空技術(shù)領(lǐng)先的國家和地區(qū)都先后對航空產(chǎn)品提出了“買得起”的要求。而材料在航空產(chǎn)品的成本和價格構(gòu)成中占有相當(dāng)份額，所以科學(xué)地選材和努力發(fā)展低成本材料技術(shù)是航空材料發(fā)展的重要方向。同時很多民航飛機(jī)，作為普通民眾所要使用的交通工具，努力降低成本也是實(shí)現(xiàn)“以人為本”的一項(xiàng)要求。

三、材料分類 1.鋁合金 鋁合金因其技術(shù)成熟、成本低、使用經(jīng)驗(yàn)豐富等優(yōu)勢，在相當(dāng)長的時期內(nèi)，仍將是亞音速飛機(jī)和低超音速飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)用材之一。2.結(jié)構(gòu)鋼

一些新型超高強(qiáng)度鋼在今后仍然還會是起落架、主要接頭、隔框等一些主要承力構(gòu)件的備選材料。3.鈦合金

鈦合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)用材中所占的重要地位已確定無疑，但是鈦合金的較貴的價格和較差的工藝性，是影響使用的很大因素。4.先進(jìn)復(fù)合材料

由于先進(jìn)復(fù)合材料具有比鋼、鋁、鈦高得多的比強(qiáng)度、比模量和耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)，在未來高性能的飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料中，先進(jìn)復(fù)合材料將會占據(jù)越來越重要的地位，甚至完全有可能出現(xiàn)全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的飛機(jī)。

光纖通信

一、光纖通信的發(fā)展史

1966年，英籍華人高餛指出：如果能夠減少玻璃中的雜質(zhì)含量，就可以制造出損耗低于 20dB/km 的光纖。1970 年是使光纖通信發(fā)展出現(xiàn)跨越的一年，美國康寧公司研制出了損耗系數(shù)為 20dB / km 的光纖。同年，美貝爾公司研制出使用壽命長達(dá)幾小時的半導(dǎo)體激光器，光纖通信從此進(jìn)入飛速發(fā)展。通過以上的發(fā)展時期可以把光纖通信的發(fā)展歸納為三個階段： 1966～1976 年：從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時期；1976～1986 年：以提高傳輸速率和增加傳輸距離為目的和大力推廣的發(fā)展階段；1986～1996 年：以實(shí)現(xiàn)超大容量超長距離為目標(biāo)，全面深入開展新技術(shù)的援救階段。

二、光纖通信的特點(diǎn) 目前光纖通信己經(jīng)成為通信中的最主要的傳輸技術(shù)，以下優(yōu)點(diǎn)： 1.傳輸頻帶寬，通信容量大

由信氨論知道，載波頻率越高，通信容量越大。它與其他通信傳輸系統(tǒng)相比，具有目前光纖通信使用的光載波頻率在 1014Hz ～1015Hz 數(shù)量級，比常用的微波頻率高 104倍～105倍，因而，通信容量原則上比微披通信高 104倍～105 倍。

2.傳輸衰減小，傳輸距離長

普通傳輸線的傳輸損耗，主要是由銅線的電阻以及導(dǎo)線間電容的漏電引起的，要想降低損耗，就得增大傳輸線的尺寸。而光纖傳輸損耗不同于普通傳輸線，其損耗幾乎與光纖尺寸無關(guān)，且在使用的光波段內(nèi)，光纖對每一頻率的損耗幾乎是相同的，提高純度可以降低損耗。目前，通信用的普通石英光纖損耗一般都低于l0dB/k m。使用 1.55 波長時，損耗可以降為 0.2dB/km。3.抗電磁十?dāng)_，傳輸質(zhì)量好

制造光纖的材料石英是絕緣介質(zhì)，它不受輸電線、電氣化鐵路的饋電線和高壓設(shè)備等電器干擾的影響，不會在光纖中產(chǎn)生感應(yīng)電磁干擾，也可避免雷電等自然因素產(chǎn)生的損害和危險。4.體積小、重量輕、便于施

光纖真正傳光的是線芯，多模光纖的線芯直徑為 50 m～85 m，單模光纖的線芯直徑為 5 m～10 m，國際上規(guī)定通信光纖的包層自徑為 125 m，當(dāng)然，外面還要有保護(hù)層，再將若干光纖制成光纜。與電纜相比，無論是尺寸還是重量都少得多，由于光纜線徑細(xì)，重量輕，可以節(jié)約地下管道建設(shè)投資，而且便于敷設(shè)、運(yùn)輸和施工。

5.原材料豐富，節(jié)約有色金屬

有利于環(huán)保制造光纖的原材料是石英，材料豐富，并且可以代替光纜的銅線或鋁線，節(jié)約有色金屬，也有利于環(huán)保。光纖本身也有缺點(diǎn)：如光纖質(zhì)地脆，機(jī)械強(qiáng)度低；光纖的切斷和接續(xù)需要一定的工具設(shè)備和技術(shù)，光纜的歪曲半徑不能過小等等。但總的說來，光纖技術(shù)比其他通信方式優(yōu)越，大力發(fā)展光纖通信己成趨勢。

三、光纖的結(jié)構(gòu)與分類

目前通信用的光纖大多采用石英玻璃（SiO2）制成的橫截面很小的雙層同心圓柱體，未經(jīng)涂覆和套塑時稱為裸光纖，如圖1所示。從圖1中可以看出，光纖由纖芯和包層兩部分組成，纖芯的材料是SiO2，摻雜微量的其他材料，摻雜的作用是為了提高材料的光折射率。包層的材料一般用純 SiO2，也有摻雜的，摻雜的作用是降低材料的光折射率。所以纖芯的折射率略高于包層的折射率，目的在于使進(jìn)入光纖的光有可能全部限制在纖芯內(nèi)部傳輸。由于石英玻璃質(zhì)地脆、易斷裂，為保護(hù)光纖不受損害，提高抗拉度，一般需要在裸光纖外面指經(jīng)過兩次涂敷。它的剖面結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖一 光纖的結(jié)構(gòu)圖圖

從圖 2 中可以看出：纖芯位于光纖中心，直徑（2a）為 5 m～75 m，作用是傳輸光波。包層位于纖芯外層，直徑（2b）為 100 m ～150 m，作用是將光波限制在纖芯中。為了使光波在纖芯中傳送，包層材料折射率 n2比纖芯材料折射率 n l 小，即光纖導(dǎo)光的條件是 n l > n2。一次涂敷層是為了保護(hù)裸纖而在其表面涂上的聚氨基甲酸乙脂或硅酮樹脂層，厚度一般為30 m ～150 m。套層又稱二次涂覆或被覆層，多采用聚乙烯塑料或聚丙烯塑料、尼龍等材料。經(jīng)過二次涂敷的裸光纖稱為光纖芯線。

圖二 光纖剖向結(jié)構(gòu)圖

光纜一般由纜芯、加強(qiáng)元件和護(hù)層三部分組成。(a)纜芯：由單根或多根光纖芯線組成，有緊套和松套兩種結(jié)構(gòu)。緊套光纖有二層和三層結(jié)構(gòu)。(b)加強(qiáng)元件：用于增強(qiáng)光纜敷設(shè)時可承受的負(fù)荷，一般是用金屬絲或非金屬纖維制作。（c）護(hù)層：具有阻燃、防潮、耐壓、耐腐蝕等特性，主要是對己成纜的光纖芯線進(jìn)行保護(hù)。根據(jù)敷設(shè)條件可由鋁帶／聚乙烯綜合粘接外護(hù)層（LAP），鋼帶（或鋼絲）銷裝和聚乙烯護(hù)層等組成。

實(shí)際使用的光纜分類如表 1 所示：

表一 實(shí)際使用的光纜分類

吸附材料

一、簡介 吸附法是利用吸附劑吸附廢水中某種或幾種污染物，以便回收或去除它們，從而使廢水得到凈化的方法。利用吸附法進(jìn)行物質(zhì)分離已有漫長的歷史，國內(nèi)外的科研工作者在這方面作了大量的研究工作，目前吸附法已廣泛應(yīng)用于化工、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)藥衛(wèi)生和生物工程等領(lǐng)域。在化工和環(huán)境保護(hù)方面，吸附法主要用于凈化廢氣、回收溶劑（特別適用于腐蝕性的氯化烴類化合物、反應(yīng)性溶劑和低沸點(diǎn)溶劑）和脫除水中的微量污染物。后者的應(yīng)用范圍包括脫色、除臭味、脫除重金屬、除去各種溶解性有機(jī)物和放射性元素等。在處理流程中，吸附法可作為離子交換、膜分離等方法的預(yù)處理，以去除有機(jī)物、膠體及余氯等，也可作為二級處理后的深度處理手段，以便保證回用水質(zhì)量。利用吸附法進(jìn)行水處理，具有適應(yīng)范圍廣、處理效果好、可回收有用物料以及吸附劑可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，隨著現(xiàn)有吸附劑性能的不斷完善以及新型吸附劑的研制成功，吸附法在水處理中的應(yīng)用前景將更加廣闊。

二、基本性能要求

吸附劑是決定高效能的吸附處理過程的關(guān)鍵因素，廣義而言，一切固體都具有吸附能力，但是只有多孔物質(zhì)或磨得極細(xì)的物質(zhì)由于具有很大的表面積，才能作為吸附劑。工業(yè)上常用的吸附劑有：活性氧化鋁、硅膠、活性炭、分子篩等，另外還有針對某種組分選擇性吸附而研制的吸附材料。氣體吸附分離成功與否，極大程度上依賴于吸附劑的性能，因此選擇吸附劑是確定吸附操作的首要問題。工業(yè)吸附劑還必須滿足下列要求：（1）吸附能力強(qiáng)；（2）吸附選擇性好；（3）吸附平衡濃度低；（4）容易再生和再利用；（5）機(jī)械強(qiáng)度好；（6）化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；（7）來源廣；（8）價廉。

三、常見吸附材料種類 1.活性氧化鋁

活性氧化鋁是由鋁的水合物加熱脫水制成，它的性質(zhì)取決于最初氫氧化物的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，一般都不是純粹的Al2O3,而是部分水合無定形的多孔結(jié)構(gòu)物質(zhì)，其中不僅有無定形的凝膠，還有氫氧化物的晶體。由于它的毛細(xì)孔通道表面具有較高的活性，故又稱活性氧化鋁。它對水有較強(qiáng)的親和力，是一種對微量水 深度干燥用的吸附劑。在一定操作條件下，它的干燥深度可達(dá)露點(diǎn)‐７０℃以下。市售的層析用氧化鋁有堿性、中性和酸性三種類型，粒度規(guī)格大多為100～150目。2.硅膠

硅膠是硅酸的部分脫水后的產(chǎn)物，其成分是SiO2·xH2O，又叫縮水硅酸。是一種堅(jiān)硬、無定形鏈狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的硅酸聚合物顆粒，為一種親水性的極性吸附劑。它是用硫酸處理硅酸鈉的水溶液，生成凝膠，并將其水洗除去硫酸鈉后經(jīng)干燥，便得到玻璃狀的硅膠，它主要用于干燥、氣體混合物及石油組分的分離等。工業(yè)上用的硅膠分成粗孔和細(xì)孔兩種。粗孔硅膠在相對濕度飽和的條件下，吸附量可達(dá)吸附劑重量的８０％以上，而在低濕度條件下，吸附量大大低于細(xì)孔硅膠。

3、活性炭

吸附劑中活性炭應(yīng)用于水處理已有幾十年的歷史。60 年代后有很大發(fā)展，國內(nèi)外的科研工作者已在活性炭的研制以及應(yīng)用研究方面作了大量的工作。制作活性炭的原料種類多、來源豐富，包括動植物(如木材、鋸木屑、木炭、谷殼、椰子殼、稻麥桿、堅(jiān)果殼、脫脂牛骨、魚骨等)、煤(泥煤、褐煤、瀝青煤、無煙煤等)、石油副產(chǎn)物(石油殘?jiān)⑹徒沟?、紙漿廢物、合成樹脂以及其他有機(jī)物(如廢輪胎)等。是將木炭、果殼、煤等含碳原料經(jīng)炭化、活化后制成的?；罨椒煞譃閮纱箢?，即藥劑活化法和氣體活化法。藥劑活化法就是在原料里加入氯化鋅、硫化鉀等化學(xué)藥品，在非活性氣氛中加熱進(jìn)行炭化和活化。氣體活化法是把活性炭原料在非活性氣氛中加熱，通常在700℃以下除去揮發(fā)組分以后，通入水蒸氣、二氧化碳、煙道氣、空氣等，并在700~1200℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)使其活化?；钚蕴亢泻芏嗝?xì)孔構(gòu)造所以具有優(yōu)異的吸附能力。3.分子篩

又包括沸石分子篩和碳分子篩。分子篩與其他吸附劑相比, 還具有特殊的吸附性能, 即在低分壓(或低濃度)及較高溫度的吸附情況下, 分子篩與其他吸附劑 有顯著的差別。如對于水, 即使在低分壓或低濃度、高溫度下仍有很高的吸附容量, 是其他吸附劑所不及的。

多孔金屬材料的制備及應(yīng)用

一、介紹

多孔材料可分為金屬和非金屬兩大類,也可細(xì)分為多孔陶瓷材料、高分子多孔材料和多孔金屬材料3 種不同的類型。多孔金屬材料又稱為泡沫金屬,作為結(jié)構(gòu)材料,它具有密度小、孔隙率高、比表面積大等特點(diǎn);作為功能材料,它具有多孔、減振、阻尼、吸音、隔音、散熱、吸收沖擊能、電磁屏蔽等多種性能。而且,多孔金屬材料往往兼有結(jié)構(gòu)材料和功能材料的雙重作用,是一類性能優(yōu)異的多用途材料。目前,多孔金屬材料已經(jīng)在冶金、石油、化工、紡織、醫(yī)藥、釀造等國民經(jīng)濟(jì)部門以及國防軍事等部門得到了廣泛的應(yīng)用。

二、制備方法

多孔金屬材料作為多孔材料的重要組成部分,在材料學(xué)領(lǐng)域具有不可取代的地位。從20 世紀(jì)中葉開始,世界各國競相投入到多孔金屬材料的研究與開發(fā)之中,并相繼提出了各種不同的制備工藝。根據(jù)制備過程中金屬所處的狀態(tài)可以將這些制備方法劃分為以下幾種:(1)液相法,(2)氣相法,(3)金屬沉積法。1 液相法 1.1 直接發(fā)泡法

早在19 世紀(jì)六七十年代,以直接發(fā)泡法制備多孔金屬就已經(jīng)獲得了成功。相關(guān)實(shí)驗(yàn)主要集中在Al、Mg、Zn 等低熔點(diǎn)金屬及其合金的閉孔金屬材料的制備方面。經(jīng)過研究者多年的實(shí)驗(yàn)和研究,直接發(fā)泡法制備多孔金屬材料的工藝日漸成熟,目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。直接發(fā)泡法包括兩類不同的工藝:(1)直接吹氣法發(fā)泡法;(2)金屬氫化物分解發(fā)泡法。(1)直接吹氣法發(fā)泡法 對于制備泡沫金屬,直接吹氣法是一種簡便、快速且低耗能的金屬發(fā)泡方法。該方法的工藝是首先向金屬液中加入SiC、Al2O3等以提高金屬液的粘度,然后使用特制的旋轉(zhuǎn)噴頭向熔體中吹入氣體(如空氣、氬氣、氮?dú)?。該法制備泡沫金屬的工藝流程如圖1 所示。

圖1 直接吹氣法發(fā)泡法制備泡沫金屬材料的流程圖

該方法主要應(yīng)用于泡沫鋁的生產(chǎn)中。用這種工藝來生產(chǎn)泡沫鋁,首先應(yīng)在熔融鋁液中加入一種高熔點(diǎn)材料的細(xì)小顆粒,這種難熔顆粒在鋁液中既可以增加鋁液粘度,又可以在氣體和金屬的界面上形成一層表面活性劑,從而保證氣體能穩(wěn)定地滯留在鋁液中,并在凝固過程中不會導(dǎo)致泡沫塌陷。盡管有多種符合應(yīng)用條件的難熔材料,但在實(shí)際生產(chǎn)中常選用碳化硅作為增加鋁液粘度的增粘劑。在這一過程中,碳化硅可與鋁液反應(yīng)形成碳硅鋁的合成物,并使鋁液保持在相對較低的攪拌溫度。

(2)金屬氫化物分解發(fā)泡法

這種方法是在熔融的金屬液中加入發(fā)泡劑(金屬氫化物粉末),氫化物被加熱后分解出H2 ,并且發(fā)生體積膨脹,使得液體金屬發(fā)泡,冷卻后得到泡沫金屬材料。在制備過程中,為了防止不均勻現(xiàn)象的發(fā)生,也可以加入固體Ca來增加粘度,以避免氣泡逸出。1.2 鑄造法(1)熔模鑄造法 熔模鑄造法是先將已經(jīng)發(fā)泡的塑料填充入一定幾何形狀的容器內(nèi),在其周圍倒入液態(tài)耐火材料,在耐火材料硬化后,升溫加熱使發(fā)泡塑料氣化,此時模具就具有原發(fā)泡塑料的形狀,將液態(tài)金屬澆注到模具內(nèi),在冷卻后把耐火材料與金屬分開,可得到與原發(fā)泡塑料的形狀一致的金屬泡沫。采用這種方法制備多孔金屬的成本較高,以多孔鋅為例,每立方厘米的成本在10美元以上。(2)滲流鑄造法

該原理是先把填料放于鑄模之內(nèi),在其周圍澆鑄金屬,然后把填料去除掉,得到泡沫金屬材料。滲流鑄造法可根據(jù)滲透壓力的不同分為高壓滲流法和低壓滲流法。高壓滲流法是將填料和調(diào)節(jié)性載體(均可燃)按一定的比例混合均勻,把這種混合物在模子內(nèi)壓實(shí),烘干后得到一定尺寸的預(yù)制塊,將預(yù)制塊放入高壓滲流模內(nèi),加入熔融金屬液,在一定的高壓下,金屬液體快速滲入預(yù)制塊的孔隙之中,冷卻后將可燃性預(yù)制塊在一定溫度下燃燒去除,就得到了三維網(wǎng)絡(luò)狀的金屬泡沫金屬。低壓滲流法則是將可溶性填料放置于預(yù)熱爐的上部,通過進(jìn)氣口加壓,使金屬液體沿著型腔內(nèi)壁上升至預(yù)熱爐內(nèi)并與填料顆?；旌?冷卻后將顆粒溶解去除即可。填料有許多種,它可以是有機(jī)的或無機(jī)的顆粒,也可以是低密度的空心球?？扇苄喳}、泡沫玻璃球、氧化鋁空心球可以作為無機(jī)填料顆粒。如果熔融的金屬液凝固的速度足夠快,高分子聚合物也可以作為有機(jī)填料顆粒。為了避免金屬液提前凝固而不能充分的滲入,填料顆粒必須經(jīng)過預(yù)熱。1.3 濺射法

濺射法可以制備多孔金屬(合金)材料。該方法的原理是在反應(yīng)器內(nèi)維持可控的惰性氣體壓力,在等離子的作用下,通過電場的作用將金屬沉積在基體上,與此同時,惰性氣體的原子也一并沉積,升高溫度,金屬熔化時惰性氣體發(fā)生膨脹形成一個個的空穴,冷卻后即為泡沫金屬。2 固相法

2.1 粉末冶金(PM)法 該方法的原理是將金屬粉末與造孔劑按一定的配比混合均勻后,在一定的壓力下壓制成具有一定致密度的預(yù)制品。將預(yù)制品在真空燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié),制得復(fù)合材料燒結(jié)坯,將燒結(jié)坯以一定方法去除造孔劑,最后制得了多孔金屬材料。2.2 粉末發(fā)泡法

該方法的基本工藝是將金屬或非金屬粉末與發(fā)泡劑按一定的比例混合均勻,然后在一定的壓力下壓制成具有一定致密度的預(yù)制品。將預(yù)制品經(jīng)過進(jìn)一步加工,如軋制、模鍛等,使之成為半成品,然后將半成品放入一定的鋼模中加熱,使得發(fā)泡劑分解放出氣體發(fā)泡,最后得到多孔泡沫金屬材料。2.3 金屬空心球法

該方法是將一個個的金屬空心球通過燒結(jié)粘結(jié)到一起而形成多孔結(jié)構(gòu)。目前所用的金屬空心球原料是以銅、鎳、鋼或者鈦為基體的。金屬空心球可以通過化學(xué)合成和電沉積的方法在高分子球的表面鍍上一層金屬,然后把高分子球去除而得到;通常金屬空心球的直徑在0.8～8mm ,壁的厚度在10～100μm。金屬空心球可以用來制備通孔或閉孔、排列規(guī)則或不規(guī)則的多孔金屬材料。2.4 金屬粉末纖維燒結(jié)法

燒結(jié)金屬粉末多孔材料是采用金屬或合金粉末為原料,通過壓制成型和高溫?zé)Y(jié)而制得具有剛性結(jié)構(gòu)的多孔材料。其孔隙結(jié)構(gòu)由規(guī)則和不規(guī)則的粉末顆粒堆垛而成,孔隙的大小和分布以及孔隙率大小取決于粉末粒度組成和加工工藝。3 金屬沉積法

金屬沉積法就是采用化學(xué)的或物理的方法把欲得泡沫金屬的金屬物沉積在易分解的有機(jī)物上,可分為電沉積和氣相沉積兩種。3.1 電沉積法

電沉積是用電化學(xué)的方法實(shí)現(xiàn)制備,它主要由4個步驟組成:(1)以泡沫有機(jī)物為基體,由于它不導(dǎo)電,故須在酸性條件下用強(qiáng)氧化劑對有機(jī)物進(jìn)行腐蝕,使其表面變得易于被水潤濕并產(chǎn)生微痕,常用的氧化劑為H2Cr2O7、H2SO4、H3PO4的混合物,這一步驟常稱為粗化；(2)粗化后用PdCl2 溶液中的Pd2+對表面進(jìn)行催化,稱為活化；(3)放入鍍液進(jìn)行化學(xué)鍍,得到均勻地附著于與有機(jī)物表面導(dǎo)電的金屬層,鍍液中含有金屬離子和還原劑,常見的鍍層有Cu、Ni、Fe、Co、Ag、Au和Pd；(4)最后將經(jīng)過化學(xué)鍍處理的有機(jī)物進(jìn)行電鍍得到所需要種類的金屬和厚度。必要時可把有機(jī)物在高溫下進(jìn)行處理使其分解。Pd 較為昂貴,活化時加入PdCl2 會導(dǎo)致泡沫金屬的生產(chǎn)成本較高,此外Pd2 + 離子吸附在高分子材料表面又具有催化作用,會加速化學(xué)鍍液的分解使穩(wěn)定性變差,故可采用Pd 的代用品或進(jìn)行無Pd 活化工藝的研究,有的已取得了較為理想的效果。3.2 氣相沉積法

泡沫金屬也可以由氣態(tài)的金屬或金屬復(fù)合體來制得。固態(tài)的基體是必須的,因?yàn)樗梢哉f明泡沫金屬產(chǎn)生的幾何學(xué)。以泡沫鎳的制備為例,通過Ni+4CO→Ni(CO)4 的反應(yīng)。當(dāng)加熱到120℃以上時,Ni(CO)4 分解為金屬Ni和CO,在分解過程中,Ni沉積在泡沫體表面上即為所要制備的產(chǎn)物。4 多孔金屬材料的應(yīng)用

由于多孔金屬材料具有輕質(zhì)、比表面積大等特點(diǎn),又集結(jié)構(gòu)材料和功能材料的特點(diǎn)于一身,所以多孔金屬材料的應(yīng)用范圍很廣。4.1 多孔金屬材料作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用

多孔金屬材料作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在汽車行業(yè)、船舶行業(yè)、鐵路行業(yè)三大行業(yè)。而在這三大行業(yè)中,多孔金屬材料主要扮演著能量吸收材料和減振材料的角色。此外,多孔金屬材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有應(yīng)用。(1)能量吸收材料

多孔金屬材料可用作能量吸收材料。例如，泡沫鋁材作為能量吸收材料已廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)，它在汽車制造中的應(yīng)用多為三明治式的三夾板,即芯層為泡沫鋁或泡沫鋁合金,上下層為鋁板或其他金屬薄板。(2)減振材料 多孔金屬材料具有優(yōu)良的抗沖擊性能,因此它可作為減振材料。超輕質(zhì)泡沫鎂是密度最低的輕質(zhì)金屬材料,并且具有很高的減振能力。此外,在發(fā)生碰撞時,泡沫鎂合金能有效地吸收沖擊能。(3)生物材料

因?yàn)槎嗫撞牧暇哂虚_放多孔狀結(jié)構(gòu),允許新骨細(xì)胞組織在內(nèi)生長及體液的傳統(tǒng)。尤其是多孔材料的強(qiáng)度及楊氏模量可以通過對孔隙率的調(diào)整同自然骨相匹配。多孔鈦對人體無害且具有優(yōu)良的力學(xué)性能和生物相容性,已被用作植入骨用生物材料。多孔鎂因具有生物降解及生物吸收特性也被列入植入骨用生物材料的行列。

三、多孔金屬材料作為功能材料的應(yīng)用

用傳統(tǒng)的粉末冶金法制備的多孔金屬材料作為功能材料的應(yīng)用很廣泛,就目前來看,其應(yīng)用主要有以下幾個方面。1.電池電極材料

利用高孔隙率的多孔金屬材料作電極是電池電極行業(yè)的一大發(fā)展。例如，泡沫鎳可以作為電化學(xué)反應(yīng)堆中的電極材料還可以作可充電的NiCd 電池。2.過濾與分離

多孔金屬材料具有優(yōu)良的滲透性,因此過濾與分離又是其應(yīng)用的一大熱點(diǎn)。多孔金屬材料的孔道對液體有阻礙作用,從而能從液體中過濾分離出固體或懸浮物。目前使用最廣的金屬過濾器材料是多孔青銅和多孔不銹鋼。3.催化載體材料

泡沫金屬在韌性和熱導(dǎo)率方面的優(yōu)勢,是催化載體材料的又一選擇。如將催化劑漿料涂于薄的泡沫金屬片表面,然后通過成型(如軋制)和高溫處理, 可以用于電廠廢氣氮氧化物(NOX)等的處理。4.消音材料 多孔金屬材料具有如此好的能量吸收的性能,因此它也是一種很好的消音材料。泡沫鋁由鋁質(zhì)骨架和氣孔組成,它質(zhì)輕并具有一定的強(qiáng)度,具有吸聲、耐火、防火、減震、防潮、無毒等優(yōu)良的特性。因此,泡沫鋁是一種綜合性能良好的多孔性吸聲材料。5.裝飾材料

泡沫金屬材料作為一種新材料,不僅被工業(yè)界的人士所重視,而且也受到了設(shè)計(jì)師和藝術(shù)家們的重視。與普通材料相比,在裝飾領(lǐng)域,泡沫金屬材料可以給人們一種獨(dú)特的視覺效果。以金、銀為基體的泡沫材料被認(rèn)為是一種有很大潛力的珠寶材料,它可以給人們帶來意想不到的利潤。泡沫鋁已被用來制作奇特的家具、鐘表、燈具等。6.其他用途

多孔金屬材料的孔道對電磁波有很好的吸收能力,因此可以用作電磁屏蔽材料。在石油化工、冶金等工業(yè)中,青銅、鎳、蒙乃爾合金、不銹鋼等粉末燒結(jié)多孔材料應(yīng)用于流體分布板。多孔金屬材料還用于流體控制。最近大量應(yīng)用的是在自動化系統(tǒng)中作為信號的控制延時器。用多孔金屬材料作為燈芯材料,用多孔青銅作鑄模中的排氣塞,可提高鑄錠質(zhì)量。用多孔鈦?zhàn)鳛楹Ｋ烎~魚餌。在日本,多孔鐵已被用作一種去臭材料。泡沫材料已經(jīng)成為建筑物、高速列車電機(jī)室、無線電錄音室等建筑內(nèi)經(jīng)常使用的吸音材料、裝飾材料。由于具有質(zhì)量輕和能量吸收的特點(diǎn),多孔金屬材料還可以應(yīng)用在運(yùn)動器械等領(lǐng)域。具有開孔結(jié)構(gòu)的多孔金屬材料還可以起到凈化水的作用,因此被用于污水處理行業(yè)中。

鋰離子電池

一、介紹

鋰離子電池：是一種二次電池（充電電池），它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+ 在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時則 相反。電池一般采用含有鋰元素的材料作為電極，是現(xiàn)代高性能電池的代表。鋰系電池分為鋰電池和鋰離子電池。手機(jī)和筆記本電腦使用的都是鋰離子電池，通常人們俗稱其為鋰電池，而真正的鋰電池由于危險性大，很少應(yīng)用于日常電子產(chǎn)品。

二、發(fā)展歷史

1970年，?？松腗.S.Whittingham采用硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，制成首個鋰電池。鋰電池的正極材料是二氧化錳或亞硫酰氯，負(fù)極是鋰。電池組裝完成后電池即有電壓，不需充電。鋰離子電池(Li-ion Batteries)是鋰電池發(fā)展而來。

1982年伊利諾伊理工大學(xué)(the Illinois Institute of Technology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman發(fā)現(xiàn)鋰離子具有嵌入石墨的特性，此過程是快速的，并且可逆。與此同時，采用金屬鋰制成的鋰電池，其安全隱患備受關(guān)注，因此人們嘗試?yán)娩囯x子嵌入石墨的特性制作充電電池。首個可用的鋰離子石墨電極由貝爾實(shí)驗(yàn)室試制成功。

1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人發(fā)現(xiàn)錳尖晶石是優(yōu)良的正極材料，具有低價、穩(wěn)定和優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)鋰性能。其分解溫度高，且氧化性遠(yuǎn)低于鈷酸鋰，即使出現(xiàn)短路、過充電，也能夠避免了燃燒、爆炸的危險。

1989年，A.Manthiram和J.Goodenough發(fā)現(xiàn)采用聚合陰離子的正極將產(chǎn)生更高的電壓。

1992年日本索尼公司發(fā)明了以炭材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極的鋰電池，在充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。隨后，鋰離子電池革新了消費(fèi)電子產(chǎn)品的面貌。此類以鈷酸鋰作為正極材料的電池，至今仍是便攜電子器件的主要電源。

1996年P(guān)adhi和Goodenough發(fā)現(xiàn)具有橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鹽，如磷酸鐵鋰(LiFePO4)，比傳統(tǒng)的正極材料更具安全性，尤其耐高溫，耐過充電性能遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)鋰離子電池材料。因此已成為當(dāng)前主流的大電流放電的動力鋰電池的正極材料?？v觀電池發(fā)展的歷史，可以看出當(dāng)前世界電池工業(yè)發(fā)展的三個特點(diǎn)，一是綠色環(huán)保電池迅猛發(fā)展，包括鋰離子蓄電池、氫鎳電池等；二是一次電池向蓄電池轉(zhuǎn)化，這符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略；三是電池進(jìn)一步向小、輕、薄方向發(fā)展。在商品化的可充電池中，鋰離子電池的比能量最高，特別是聚合物鋰離子電池，可以實(shí)現(xiàn)可充電池的薄形化。正因?yàn)殇囯x子電池的體積比能量和質(zhì)量比能量高，可充且無污染，具備當(dāng)前電池工業(yè)發(fā)展的三大特點(diǎn)，因此在發(fā)達(dá)國家中有較快的增長。電信、信息市場的發(fā)展，特別是移動電話和筆記本電腦的大量使用，給鋰離子電池帶來了市場機(jī)遇。而鋰離子電池中的聚合物鋰離子電池以其在安全性的獨(dú)特優(yōu)勢，將逐步取代液體電解質(zhì)鋰離子電池，而成為鋰離子電池的主流。聚合物鋰離子電池被譽(yù)為 “21世紀(jì)的電池”，將開辟蓄電池的新時代，發(fā)展前景十分樂觀。

2015年3月，日本夏普與京都大學(xué)的田中功教授聯(lián)手成功研發(fā)出了使用壽命可達(dá)70年之久的鋰離子電池。此次試制出的長壽鋰離子電池，體積為8立方厘米，充放電次數(shù)可達(dá)2.5萬次。并且夏普方面表示，此長壽鋰離子電池實(shí)際充放電1萬次之后，其性能依舊穩(wěn)定。

三、組成部分

鋰離子電池雖然形狀各不相同，但其組成部分主要為以下幾個部分： 1.正極

活性物質(zhì)一般為錳酸鋰或者鈷酸鋰，鎳鈷錳酸鋰材料，電動自行車則普遍用鎳鈷錳酸鋰（俗稱三元）或者三元+少量錳酸鋰，純的錳酸鋰和磷酸鐵鋰則由于體積大、性能不好或成本高而逐漸淡出。導(dǎo)電極流體使用厚度10--20微米的電解鋁箔。2.隔膜

一種經(jīng)特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔結(jié)構(gòu)，可以讓鋰離子自由通過，而電子不能通過。3.負(fù)極 活性物質(zhì)為石墨，或近似石墨結(jié)構(gòu)的碳，導(dǎo)電集流體使用厚度7-15微米的電解銅箔。4.有機(jī)電解液

溶解有六氟磷酸鋰的碳酸酯類溶劑，聚合物的則使用凝膠狀電解液。5.電池外殼

分為鋼殼（方型很少使用）、鋁殼、鍍鎳鐵殼（圓柱電池使用）、鋁塑膜（軟包裝）等，還有電池的蓋帽，也是電池的正負(fù)極引出端。

參考文獻(xiàn)

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第四篇：學(xué)科前沿講座

學(xué)科前沿講座

專業(yè)班級： 光信13-3_

姓 名： 朱家興_

學(xué) 號： _10134425__

任課教師： 張國營

2016年 11月 11 日

量子計(jì)算與量子計(jì)算機(jī)

【摘要】量子計(jì)算的強(qiáng)大運(yùn)算能力使得量子計(jì)算機(jī)具有廣闊的應(yīng)用前景。該文簡要介紹了量子計(jì)算的發(fā)展現(xiàn)狀和基本原理，列舉了典型的量子算法，闡明了量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性，最后預(yù)測了量子計(jì)算及量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用方向。

【關(guān)鍵詞】量子計(jì)算；量子計(jì)算機(jī)；量子算法；量子信息處理 1.引言

在人類剛剛跨入21世紀(jì)的時刻！科技的重大突破之一就是量子計(jì)算機(jī)的誕生。德國科學(xué)家已在實(shí)驗(yàn)室研制成功5個量子位的量子計(jì)算機(jī)，而美國LosAlamos國家實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行7個量子位的量子計(jì)算機(jī)的試驗(yàn)【1】。它預(yù)示著人類的信息處理技術(shù)將會再一次發(fā)生巨大的飛躍，而研究面向量子計(jì)算機(jī)以量子計(jì)算為基礎(chǔ)的量子信息處理技術(shù)已成為一項(xiàng)十分緊迫的任務(wù)。2.子計(jì)算的物理背景

任何計(jì)算裝置都是一個物理系統(tǒng)。量子計(jì)算機(jī)足根據(jù)物理系統(tǒng)的量子力學(xué)性質(zhì)和規(guī)律執(zhí)行計(jì)算任務(wù)的裝置【2】。量子計(jì)算足以量子計(jì)算目L為背景的計(jì)算。是在量了力。4個公設(shè)（postulate）下做出的代數(shù)抽象。Feylllilitn認(rèn)為，量子足一種既不具有經(jīng)典耗子性，亦不具有經(jīng)典渡動性的物理客體（例如光子）。亦有人將量子解釋為一種量，它反映了一些物理量（如軌道能級）的取值的離散性。其離散值之問的差值（未必為定值）定義為量子。按照量子力學(xué)原理，某些粒子存在若干離散的能量分布。稱為能級。而某個物理客體（如電子）在另一個客體（姻原子棱）的離散能級之間躍遷（transition。粒子在不同能量級分布中的能級轉(zhuǎn)移過程）時將會吸收或發(fā)出另一種物理客體（如光子），該物理客體所攜帶的能量的值恰好是發(fā)生躍遷的兩個能級的差值。這使得物理“客體”和物理“量”之問產(chǎn)生了一個相互溝通和轉(zhuǎn)化的橋梁；愛因斯坦的質(zhì)能轉(zhuǎn)換關(guān)系也提示了物質(zhì)和能量在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)化的因此。量子的這兩種定義方式是對市統(tǒng)并可以相互轉(zhuǎn)化的。量子的某些獨(dú)特的性質(zhì)為量了計(jì)算的優(yōu)越性提供了基礎(chǔ)。3.量子計(jì)算機(jī)的特征

量子計(jì)算機(jī)，首先是能實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的機(jī)器，是以原子量子態(tài)為記憶單元、開關(guān)電路和信息儲存形式，以量子動力學(xué)演化為信息傳遞與加工基礎(chǔ)的量子通訊與量子計(jì)算，是指組成計(jì)算機(jī)硬件的各種元件達(dá)到原子級尺寸，其體積不到現(xiàn)在同類元件的1%。量子計(jì)算機(jī)是一物理系統(tǒng)，它能存儲和處理關(guān)于量子力學(xué)變量的信息【3】。量子計(jì)算機(jī)遵從的基本原理是量子力學(xué)原理：量子力學(xué)變量的分立特性、態(tài)迭加原理和量子相干性。信息的量子就是量子位，一位信息不是0就是1，量子力學(xué)變量的分立特性使它們可以記錄信息：即能存儲、寫入、讀出信息，信息的一個量子位是一個二能級（或二態(tài)）系統(tǒng)，所以一個量子位可用一自旋為1/2的粒子來表示，即粒子的自旋向上表示1，自旋向下表示0；或者用一光子的兩個極化方向來表示0和1；或用一原子的基態(tài)代表0第一激發(fā)態(tài)代表1。就是說在量子計(jì)算機(jī)中，量子信息是存儲在單個的自旋’、光子或原子上的。對光子來說，可以利用Kerr非線性作用來轉(zhuǎn)動一光束使之線性極化，以獲取寫入、讀出；對自旋來說，則是把電子（或核）置于磁場中，通過磁共振技術(shù)來獲取量子信息的讀出、寫入；而寫入和讀出一個原子存儲的信息位則是用一激光脈沖照射此原子來完成的。量子計(jì)算機(jī)使用兩個量子寄存器，第一個為輸入寄存器，第二個為輸出寄存器。函數(shù)的演化由幺正演化算符通過量子邏輯門的操作來實(shí)現(xiàn)。單量子位算符實(shí)現(xiàn)一個量子位的翻轉(zhuǎn)。兩量子位算符，其中一個是控制位，它確定在什么情況下目標(biāo)位才發(fā)生改變；另一個是目標(biāo)位，它確定目標(biāo)位如何改變；翻轉(zhuǎn)或相位移動。還有多位量子邏輯門，種類很多。要說清楚量子計(jì)算，首先看經(jīng)典計(jì)算。經(jīng)典計(jì)算機(jī)從物理上可以被描述為對輸入信號序列按一定算法進(jìn)行交換的機(jī)器，其算法由計(jì)算機(jī)的內(nèi)部邏輯電路來實(shí)現(xiàn)【4】。經(jīng)典計(jì)算機(jī)具有如下特點(diǎn)：

a其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是經(jīng)典信號，用量子力學(xué)的語言來描述，也即是：其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是某一力學(xué)量的本征態(tài)。如輸入二進(jìn)制序列0110110，用量子記號，即10110110>。所有的輸入態(tài)均相互正交。對經(jīng)典計(jì)算機(jī)不可能輸入如下疊加Cl10110110>+C2I1001001>。

b經(jīng)典計(jì)算機(jī)內(nèi)部的每一步變換都將正交態(tài)演化為正交態(tài)，而一般的量子變換沒有這個性質(zhì)，因此，經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的變換（或計(jì)算）只對應(yīng)一類特殊集。

相應(yīng)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的以上兩個限制，量子計(jì)算機(jī)分別作了推廣。量子計(jì)算機(jī)的輸入用一個具有有限能級的量子系統(tǒng)來描述，如二能級系統(tǒng)（稱為量子比特），量子計(jì)算機(jī)的變換（即量子計(jì)算）包括所有可能的幺正變換。因此量子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)為：

c量子計(jì)算機(jī)的輸入態(tài)和輸出態(tài)為一般的疊加態(tài)，其相互之間通常不正交；

d量子計(jì)算機(jī)中的變換為所有可能的幺正變換。得出輸出態(tài)之后，量子計(jì)算機(jī)對輸出態(tài)進(jìn)行一定的測量，給出計(jì)算結(jié)果。由此可見，量子計(jì)算對經(jīng)典計(jì)算作了極大的擴(kuò)充，經(jīng)典計(jì)算是一類特殊的量子計(jì)算。量子計(jì)算最本質(zhì)的特征為量子疊加性和相干性。量子計(jì)算機(jī)對每一個疊加分量實(shí)現(xiàn)的變換相當(dāng)于一種經(jīng)典計(jì)算，所有這些經(jīng)典計(jì)算同時完成，并按一定的概率振幅疊加起來，給出量子計(jì)算的輸出結(jié)果。這種計(jì)算稱為量子并行計(jì)算，量子并行處理大大提高了量子計(jì)算機(jī)的效率，使得其可以完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法完成的工作，這是量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性之一。

4.量子智能計(jì)算

自Shor算法和Grover算法提出后，越來越多的研究員投身于量子計(jì)算方法的計(jì)算處理方面，同時智能計(jì)算向來是算法研究的熱門領(lǐng)域，研究表明，二者的結(jié)合可以取得很大的突破，即利用量子并行計(jì)算可以很好的彌補(bǔ)智能算法中的某些不足【5】。

目前已有的量子智能計(jì)算研究主要包括：量子人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，量子進(jìn)化算法，量子退火算法和量子免疫算法等。其中，量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和量子進(jìn)化算法已經(jīng)成為目前學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，并且取得了相當(dāng)不錯的成績，下面將以量子進(jìn)化算法為例。

量子進(jìn)化算法是進(jìn)化算法與量子計(jì)算的理論結(jié)合的產(chǎn)物，該算法利用量子比特的疊加性和相干性，用量子比特標(biāo)記染色體，使得一個染色體可以攜帶大數(shù)量的信息。同時通過量子門的旋轉(zhuǎn)角度表示染色體的更新操作，提高計(jì)算的全局搜索能力。

目前量子進(jìn)化算法已經(jīng)應(yīng)用于許多領(lǐng)域，例如：工程問題、信息系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等。同時，伴隨著量子算法的理論和應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展，量子進(jìn)化算法等量子智能算法有著更大的發(fā)展前景和空間。

5.量子計(jì)算的應(yīng)用

1.量子疊加態(tài)的計(jì)算魅力。在經(jīng)典物理學(xué)中，物質(zhì)在確定的時刻僅有確定的一個狀態(tài)。量子力學(xué)則不同，物質(zhì)會同時處于不同的量子態(tài)上。因?yàn)樘幱诏B加態(tài)，這就意味著，量子計(jì)算一次運(yùn)算就可以處理210=1024個數(shù)（從0到1023被同時處理一遍）【6】。以此類推，量子計(jì)算的速度與量子比特?cái)?shù)是2的指數(shù)增長關(guān)系。一個64位的量子計(jì)算機(jī)一次運(yùn)算就可以同時處理264=***709551616個數(shù)。如果單次運(yùn)算速度達(dá)到目前民用電腦CPU的級別（1GHz），那么這個64位量子計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理速度將是世界上最快的“天河二號”超級計(jì)算機(jī)（每秒33.86千萬億次）的545萬億倍。

量子力學(xué)疊加態(tài)賦予了量子計(jì)算機(jī)真正意義上的“并行計(jì)算”，而不像經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣只能并列更多的CPU來并行。因此在大數(shù)據(jù)處理技術(shù)需求強(qiáng)烈的今天，量子計(jì)算機(jī)越來越獲得互聯(lián)網(wǎng)巨頭們的重視。

2.肖爾算法――RSA加密技術(shù)的終結(jié)者。1985年，牛津大學(xué)的物理學(xué)家戴維?德意志提出了量子圖靈機(jī)模型的概念。隨后貝爾實(shí)驗(yàn)室的彼得?肖爾于1995年提出了量子計(jì)算的第一個解決具體問題的思路，即肖爾因子分解算法。

我們今天在互聯(lián)網(wǎng)上輸入的各種密碼，都會用到RSA算法加密。這種技術(shù)用一個很大的數(shù)的兩個質(zhì)數(shù)因子生成密鑰，給密碼加密，從而安全地傳輸密碼。由于這個數(shù)很大，用目前經(jīng)典計(jì)算機(jī)的速度算出它的質(zhì)數(shù)因子幾乎是不可能的任務(wù)。但利用量子計(jì)算的并行性，肖爾算法可以在很短的時間內(nèi)通過遍歷算法來獲得質(zhì)數(shù)因子，從而破解掉密鑰，使RSA加密技術(shù)不堪一擊。

量子計(jì)算機(jī)會終結(jié)任何依靠計(jì)算復(fù)雜度的加密技術(shù)，但這不意味著從此我們會失去信息安全的保護(hù)。量子計(jì)算的孿生兄弟――量子通信，會從根本上解決信息傳輸?shù)陌踩[患。

6.量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用前景

目前經(jīng)典的計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算，解決很多難題。但依然存在一些難解問題，它們的計(jì)算需要耗費(fèi)大量的時間和資源，以致在宇宙時間內(nèi)無法完成【7】。量子計(jì)算研究的一個重要方向就是致力于這類問題的量子算法研究。量子計(jì)算機(jī)首先可用于因子分解。因子分解對于經(jīng)典計(jì)算機(jī)而言是難解問題，以至于它成為共鑰加密算法的理論基礎(chǔ)。按照Shor的量子算法，量子計(jì)算機(jī)能夠以多項(xiàng)式時間完成大數(shù)質(zhì)因子的分解。量子計(jì)算機(jī)還可用于數(shù)據(jù)庫的搜索。1996年，Grover發(fā)現(xiàn)了未加整理數(shù)據(jù)庫搜索的Grover迭代量子算法。使用這種算法，在量子計(jì)算機(jī)上可以實(shí)現(xiàn)對未加整理數(shù)據(jù)庫Ⅳ的平方根量級加速搜索，而且用這種加速搜索有可能解決經(jīng)典上所謂的NP問題。量子計(jì)算機(jī)另一個重要的應(yīng)用是計(jì)算機(jī)視覺，計(jì)算機(jī)視覺是一種通過二維圖像理解三維世界的結(jié)構(gòu)和特性的人工智能。計(jì)算機(jī)視覺的一個重要領(lǐng)域是圖像處理和模式識別。由于圖像包含的數(shù)據(jù)量很大，以致不得不對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。這種壓縮必然會損失一部分原始信息 參考文獻(xiàn)

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第五篇：學(xué)科前沿講座

聽學(xué)科前沿講座有感

學(xué)科前沿是指整個科技體系或?qū)W科群中居于主導(dǎo)地位具有帶動其它科學(xué)發(fā)展并影響人們科學(xué)觀念轉(zhuǎn)變的學(xué)科。學(xué)科前沿是指某一學(xué)科中最能代表該學(xué)科發(fā)展趨勢制約該學(xué)科當(dāng)前發(fā)展的關(guān)鍵性科學(xué)問題、難題及相應(yīng)的學(xué)說。

在即將畢業(yè)之際，即將踏入工作生涯，了解學(xué)科前沿是至關(guān)重要的。學(xué)院在這個時候給我們安排學(xué)科前沿講座，意義是非凡的，我們也應(yīng)該抓住這次機(jī)會認(rèn)真學(xué)習(xí)學(xué)科前沿知識，為以后的工作生涯和人生打下結(jié)實(shí)的基礎(chǔ)。

因此在聽完三位老師的講座，不禁有感而發(fā)，對機(jī)械學(xué)科的前沿有了更深入的了解。

一、對我國汽車前沿的感悟

中國汽車發(fā)展歷程

新中國剛一成立就決定發(fā)展自己的汽車工業(yè)，1953年第一汽車制造廠破土動工，毛澤東主席為奠基儀式親自題寫了“第一汽車制造廠奠基紀(jì)念”。1956年我國生產(chǎn)的第一輛汽車下線，毛主席又親自為其命名———解放，對于當(dāng)時工業(yè)整體水平非常落后的中國人來說，這確實(shí)是一次經(jīng)濟(jì)上的解放。1956年是中國汽車史上令人難忘的一年。5月，第一汽車制造廠試制成功東風(fēng)牌轎車，送往北京向黨的八大”獻(xiàn)禮，這是中國自制的第一部轎車，6月，北京第一汽車廠附件廠試制成功井岡山牌轎車，同時工廠更名為北京汽車制造廠。8月一汽又設(shè)計(jì)試制成功第一輛紅旗牌高級轎車，9月上海汽車配件廠試制成功第一輛鳳凰牌轎車。在大躍進(jìn)的年代，這幾輛稚嫩的國產(chǎn)轎車確實(shí)讓全國人民歡欣鼓舞了一陣子。

六七十年代，除了紅旗外，中國惟一大批量生產(chǎn)的轎車就是上海牌轎車。1964年，鳳凰牌轎車改名為上海牌，并對制造設(shè)備做了一系列改進(jìn)。首先制成了車身外板成套沖模，結(jié)束了車身制造靠手工敲打的落后生產(chǎn)方式，又以此為基礎(chǔ)制成各種拼裝臺，添置點(diǎn)焊機(jī)，實(shí)現(xiàn)拼裝流水線生產(chǎn)，轎車質(zhì)量得到穩(wěn)定和提高。1965年上海轎車通過一機(jī)部技術(shù)鑒定，批準(zhǔn)定型。到1979年，上海牌轎車共生產(chǎn)了一萬七千多輛，成為我國公務(wù)用車和出租車的主要車型。1972年起還對車身進(jìn)行了改型，并減輕了自重。1980年，該車年產(chǎn)量突破5000輛。1985年，已經(jīng)開始與德國大眾公司合資的上海轎車廠和嘉定縣聯(lián)營另行建廠繼續(xù)生產(chǎn)上海轎車，并繼續(xù)做了一些技術(shù)改進(jìn)，一直生產(chǎn)到90年代。在相當(dāng)長的時間里，上海轎車支撐著國內(nèi)對轎車的需求，為社會發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。但當(dāng)時我國的汽車工業(yè)是以載貨車為主導(dǎo)的，對轎車缺乏應(yīng)用的重視，這使得我國的轎車工業(yè)技術(shù)水平長期處于極為幼稚的狀態(tài)。

改革開放后，我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，對轎車的需求越來越強(qiáng)，我國落后的轎車工業(yè)根本無法滿足這種需求。一時間，外國轎車洪水般涌入我國。1984年至1987年，我國進(jìn)口轎車64萬輛，耗資266億元。為了迅速提高中國轎車生產(chǎn)能力和技術(shù)水平，我國汽車工業(yè)開始走上與國外汽車企業(yè)合作、引進(jìn)消化外國先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展道路。具體方式基本都是從進(jìn)口全部散件組裝開始，逐漸提高國產(chǎn)化率。純種的中國汽車也在不斷發(fā)展，長城、吉利、奇瑞等車廠已經(jīng)發(fā)展壯大起來，技術(shù)也越來越好，反正自己孩子自己養(yǎng)，國人支持，他們肯定能做好。

中國汽車的發(fā)展方向

中國車企目前還處于開闊市場階段，但從長遠(yuǎn)方向看，提高自身產(chǎn)品才是第一要旨。所以中國汽車業(yè)將在逐步占領(lǐng)世界市場的同時，加強(qiáng)品牌建設(shè)，提高汽車質(zhì)量和性能，將中國從一個汽車生產(chǎn)大國向汽車研發(fā)大國轉(zhuǎn)變。現(xiàn)代汽車電子化、智能化、多媒體化和網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用，不僅提高了汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性、安全和環(huán)保性，改善了行駛的穩(wěn)定性和舒適性，推動了汽車工業(yè)的發(fā)展，還為電子產(chǎn)品開拓了廣闊的市場，從而推動了電子工業(yè)的發(fā)展。因此，大力發(fā)展汽車電子化、智能化、多媒體化和網(wǎng)絡(luò)化，加快汽車電子化速度，是啟動和振興汽車工業(yè)的重要手段。也是中國汽車零部件企業(yè)的新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。

二、礦用絞車前沿感悟

聽完李老師的講座，我深感到礦山機(jī)械設(shè)備的落后，據(jù)李老師所說，礦山設(shè)備要落后一般機(jī)械二十年。在那里生產(chǎn)的資源推動著中國的發(fā)展，然而卻沒有人去推動他們的發(fā)展。

在這里也深刻體會到我校老師獨(dú)自走入深山的寂寞，也希望國家和社會給予更多的關(guān)注，來回饋礦山，感知礦山。解救那些用生命換來工業(yè)糧食的礦山工人們，那些對礦上不離不棄的礦大人

三、中國礦業(yè)大學(xué)的機(jī)械電子的感悟

機(jī)電是中國礦業(yè)大學(xué)起步較早的一門學(xué)科，也是社會發(fā)展的一門前沿學(xué)科，機(jī)電控制、機(jī)電一體化和機(jī)電自動化都是現(xiàn)代制造技術(shù)所必須的學(xué)科。在之前發(fā)展也是我校的強(qiáng)勢學(xué)科，但由于學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)的不只是，導(dǎo)至學(xué)科人才流失，技術(shù)失傳，相對其他學(xué)校機(jī)械電子的大發(fā)展，而我校的機(jī)電學(xué)科有逆水行舟不進(jìn)則退之勢。加上學(xué)校對機(jī)電學(xué)科教學(xué)的忽視，導(dǎo)至學(xué)生對機(jī)電的不了解，在以后工作當(dāng)中對出現(xiàn)問題不知道如何去解決！在這里我也希望學(xué)校和學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)關(guān)注一下機(jī)電學(xué)科的發(fā)展，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，拓寬學(xué)生的知識面。

小結(jié)

中國礦業(yè)大學(xué)有很大一批老師機(jī)械學(xué)科前沿，為礦業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)科發(fā)展付出了不懈的努力。希望學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)給予大力支持，支持機(jī)電學(xué)院的老師，支持礦大的機(jī)械學(xué)科的發(fā)展，支持機(jī)械學(xué)科的教育工作。讓我們更有能力去回饋礦山、感知礦山、去為那些為中國發(fā)展提供資源和生命的礦山人，為礦山安全、高效開采奉獻(xiàn)知識和生命