走进科学、技术、工程

走进科学、技术、工程
——承担时代使命
——享受智慧、思辩、创造交织的美妙人生
中南大学钟掘
○九年十月十二日
美国评选20世纪最伟大的工程技术
“20世纪的进步，工程的贡献大于其他任何因素”
电气化
汽车
飞机
供水和配电系统电子器件
无线电和电视农业机械化
计算机
电话
空调和制冷高速公路
航天器
互联网
成像技术
家电
医疗技术
石油和石化技术激光和光纤技术核技术
高性能材料
缺少其中任何一项，我们的生活、社会都不是现在的状态
工程故事之一——大飞机
1903年美国莱特兄弟完成了第一次由人驾驶的有动力的飞机，分别为12秒和59秒
1939年喷气动力飞机
20世纪飞机大发展
军用机：B-1 轰炸机
鬼怪战斗机
民用：波音系列和空客系列
100年时间，发展了具有精确导航的各种军民用飞机，飞机制造业在第1、2次世界大战中迅速发展，带动整个制造业走上高精度、高性能制造新历史时期
我国制造飞机的历史
20世纪50年代开始：小型战机、运输机
90年代：设计制造第三代战机、支线民用机21世纪：开始大型飞机的制造
大型商用飞机
分别于2014年、2016年首飞大型军用运输机
意味着我国的制造能
力要从以汽车为标志
进入以飞机为标志的
高性能高精度的综合
高科技制造水平
21世纪中国进入大飞机制造时代
C919——国产第一架大型客机
确保安全性、提高经济性、注重环保性、改善舒适性，在10-20年后，国内外飞机市场具有竞争力定位在与波音737系列空客320系列竞争的水平上性能>前二者
9万飞行小时
6万飞行循环
30日历年
我们是这个故事中的一个角色
——提供高性能超强超韧结构件（性能提高10~20）大飞机重量的65%是铝合金材料
美铝和波音合作的目标：20年研发新铝合金，减轻飞机重量20%铝合金材料
性能
美国飞机型号一代材料一代飞机
C919大飞机用材计划：2016年：国产材料30%，
2020年：国产材料70-80%
ARJ21客机所用的铝合金
铝合金构件
承
载
框
架7050合金(铝、锌、镁、铜)——超强高韧、耐腐蚀、耐疲劳机翼蒙皮2524合金（铝、镁、铜）——高温超韧、耐腐蚀、耐疲劳
机
翼
蒙
皮
由一个复杂的制造系统完成
铸锭均匀化轧制成板热处理
锻造零件
挤压
快速
铣削
热处理
焊
接
热处理
已有的基础和面临的挑战
❖掌握第1、2、3代铝合金的制造原理与技术❖需要研发大规格第4、5代新型铝合金
➢合金性能提高10~20%
➢大规格造成缺陷多
➢同时具有综合高性能难：强度、韧性、疲劳、腐蚀➢性能不均匀度<1%(a )中心裂纹横裂环裂无裂纹
(b)(c)(d)微米结
晶相主
导断裂
晶内纳米时效析出相主导强化晶界析出相主导应力腐蚀和
晶界断裂亚微米弥散
相抑制再结
晶、主导基
体组织
全国作技术准备
大锻件生产装备——8万吨压机生产线大厚板生产装备——5.3米轧机生产线我校8亿工程：建设大规格、高性能铝材制造技术工程化研究基地
建立大飞机产业——国家重大战略工程
我们参与材料/构件制备原理工程化研究
奋斗其中
乐在其中
工程故事之二——光纤通信
高锟——09年诺贝尔物理奖得主
一根光导纤维能同时支持几千万个电话通话，几万个电视频道，在千分之一秒传送整部百科全书。

1988年铺设了第一条越洋光缆，比1956年建的铜电缆每条电话通路花费100万美元，每条光缆电话通路少于1万美元。

20世纪60年代中期，最优的玻璃纤维损耗为1000dB/km （在1km 的光纤上输入太阳1047年发出的全部光能，接收端只能收到一个光子）。

1966年高锟指出光纤的损耗是由杂质引起的，其损耗可降至20dB/km （经过1km 后只剩下1%的光能）以下，现已仅损耗0.1%。

贡献——开辟了一个新的信息产业，开创了社会、生活的新局面
我们正在成为这个领域的角色
——制造光纤传输的器件
1200℃高温熔融拉锥纤芯，实现耦合、分光外场条件
（熔烧温度）
（拉伸速度）流变过程器件性能（损耗、离散性）
（宽带一致性）
光纤微观结构(键长与键角)[SiO 4]-4与[ＧeO 4]-4的分布排列极度平稳极度均匀极度一致100%保真传输
O
Si
光耦合器——要求高保真
波导器件
关键技术：波导芯片与光纤阵列的对准波导通道：数十甚至数百个，尺寸为几微米光纤阵列：芯径约8um ，对准精度：优于0.1um ，单通道损耗<0.15dB ，需要同时精确对准。

光纤阵列
阵列波导芯片波导芯片与光纤阵列的对准对准平台
功能：光功率分配、光开关、光滤波等功能，集成到一个芯片上，替代庞大的分立系统。

全部过程在光传感器和图像识别系统下进行
为下一代光纤通信提供核心器件
科学—技术—工程的发展历程
光纤通信：
1917年爱因斯坦建立受激辐射理论
1957年斯查路阐述激光器的工作原理
1960年马曼制造第一个固体红宝石激光器
1966年高锟表明光导纤维能够实际应用于通信可能性1970年康宁实验室制造了第一个光导纤维
1975年非实验用的光导纤维用于英国警察通信系统
1977年芝加哥首次安装商业性的光导纤维通信系统
1988年铺设海底光缆用于电话通信
➢技术来源于科学
➢技术为科学提供了手段，扩大了科学研究领域➢工程需求促进了科学技术的发展
本质：人类享用的一切物质产品都是一个应用能量实现物质转化为产品的过程
➢发现与研究自然的能量→物质演化的机理、规律是创造的源头
是人类持续生存与发展的唯一出路
➢时间与空间是各种演化的载体，与调控的因素
对大自然的基本要素（能量、物质、时间、空间）变化规律的探索，将我们引入到一个奥妙无穷的境界
实例1：探索宇宙的秘密
——一个无究大时空问题
150亿年前大爆炸
热大爆炸：宇宙学——伽莫夫理论
宇宙膨胀：20世纪40年代哈勃探测
微波背景辐射信号：
1964年，美国工程师发现宇宙大爆炸留下的原始火球，火球现在的温度是3K，与20年前伽莫夫计算一致，获诺贝尔奖。

宇宙组成新理论：
1998年美国科学家由微波背景测量得到：
隐藏能量=爱因斯坦宇宙常数→暗物质的宇宙5%可见
35%不可见宇宙的95%是未知的40%物质
60%
隐藏能
萌生的想象：
➢宇宙延伸到何方？！宇宙之外还有宇宙？！➢未知的95%是什么？！它究竟如何存在，如何与其他相关？！
➢在神秘的宇宙中，人类会怎样变化？
你在想象什么：无边无际的神奇、美妙！
实例2：“大脑中什么载有意识”
——一个极小时空问题
一篇论文：
“鼠的脑子中放射标记的磷两周
中减少一半”
启示与联想：
为什么全新的分子会记住以前的
事，谁教会它存储记忆？
实例3：反物质的提出
——狄拉克提出由cm2想起
原子核+电子-m:
物质
原子核-
电子+
-m
那么（-m）是什么？——反物质狄拉克获得诺贝尔奖
验证：
1、1997年4月美国海军研究院发现：
➢银河系上方3500光年处有一个反物质源➢喷射的反物质形成2940光年的喷泉
➢反物质相遇释放能量，比普通光强25万倍2、2000年9月18日欧洲核子研究所宣
布制造出5万个低能状态反氢原子
宇宙的神秘莫过于人类可以认识神秘的宇宙
科学：打开天堂与地狱之门的钥匙科学精神：选择天堂不是地狱
我们的责任：
将人类智慧聚焦于创造人造的工程世界，打开祖国通向强大富裕的天堂之门
年青的朋友们：
无边的宇宙与极小的生命之源都充满神秘，让人神思向往。

极大与极小之间——我们生活的空间充满着等待我们去破译的秘密和构建人类美好的物质世界。

走进科学、技术、工程
——在探索自然世界中获得精神世界
——在工程实践中滋育着一代代人的科学精神•为“未知”而不懈实践探索、苦苦追求，直到成功•在“破密未知”的瞬间，知识与想象铸就科学家的智慧•智慧与思辨编织的美妙逻辑驾驭创造工程之舟扬帆破浪
亲爱的朋友们，让我们：
走进科学、技术、工程
——在知识、智慧与思辨中探索科学、发明技术、创造工程，将我们的人生投入到祖国快步前进的洪流，去享受那人生的最自豪、最美妙。