先进制造导论

第一篇：先进制造导论

1、先进制造技术的发展趋势是向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化、全球化的方向发展。

2、很多国家特别是美国把制定制造业发展战略列为重中之重，原因是：①世界经济发展的趋势表明，制造业是一个国家经济发展的基石，也是增强国家竞争力的基础；②制造业是解决就业矛盾的一个重要领域，也是21世纪提高一个国家整体就业水平的重要基础；③制造业不仅是高新技术的载体，而且也是高新技术发展的动力。

3、对2020年制造业所面临的形势提出了如下六大挑战或基本目标：（1）快速响应市场竞争的挑战——实现制造环节并行（2）全球化竞争的挑战——技术资源集成（3）信息时代的挑战——信息向知识的转变（4）环境保护压力的挑战——可持续发展（5）制造全球化和贸易自由化的挑战——可重组工程（6）技术创新的挑战——全新制造工艺及产品的开发

4、先进制造技术归纳如下几个学科方面：（1）先进设计技术（2）先进制造工艺技术（3）制造自动化技术（4）先进生产制造模式和制造系统

1、信息化制造的特点：

(1)基于Internet／Intranet的网络化。(2)产品设计、制造进程中的全程数字化。(3)制造设备的信息化、智能化、柔性化。(4)制造组织的全球化、敏捷化。(5)制造资源的分布性、共享性。(6)制造过程的并行化、协同化。(7)设计制造各要素全球性的分布和集成化。(8)设计制造各个环节的并行协作与智能化。

1、FMS的基本构成框架主要由三部分组成，即计算机控制与管理层、以NC为主的多台加工设备和物料运输装置。

2、一般来说，一个CAD／CAM集成系统应包括以下几个主要方面：产品方案与设计(CAD)； 结构及工程分析(CAE)；工艺过程设计(CAPP)；数控加工编程(NC)；分布式数据库；系统接口及数据交换标准。

3、计算机仿真的定义-所谓计算机仿真，又称为计算机模拟或计算机实验，就是建立系统模型(系统包括所有工程和非工程的系统)的仿真模型，进而在计算机上对该仿真模型进行模拟实验(仿真实验)研究，以达到通过模拟实际系统的行为而认识其本质规律的目的的过程。

4、PDM系统的主要模块有：

1)文档管理。2)模型和工程图管理。3)零件管理。4)零件分类。5)产品结构管理。6)变型管理(配置管理)。7)过程管理(工作流管理)。8)项目管理(进度计划管理和任务计划管理)。9)通用接口。

1、CIMS的定义：CIMS是在CIM哲理指导下建立的人机系统，是一种新型制造模式。它从企业的经营战略目标出发，将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术等有机结合，将产品从创意策划、设计、制造、营销到售后服务全过程中有关的人和组织、经营管理和技术三要素有机结合起来，使制造系统中的各种活动、信息有机集成并优化运行，以达到产品上市快、成本低、质量高、能耗少，提高企业的创新设计能力和市场竞争力。

3、反求工程的关键技术：

（1）数据采集（2）数据处理

（3）三维CAD模型重构（4）原始设计参数还原和精度设计。

3、现代集成制造系统的关键技术：(1)快速进行产品开发的CAD／CAM／CAE／PDM技术。(2)促进企业现代化管理的MRPII／ERP技术。(3)信息技术引入到生产加工，提高生产效率、产品质量、快速响应的数控、快速原型制造、工业机器人技术等。(4)基于设计过程重组和优化的并行工程技术。(5)加快产品开发的虚拟制造技术。(6)基于网络的异地设计、制造的网络化、协同生产技术。(7)基于企业、企业间物流优化的供应链管理技术、电子商务技术。(8)系统运行的先进控制技术。

2、CIMS通常主要由五大功能分系统构成：管理信息分系统(MIS)；技术信息分系统(TIS)；制造自动化分系统(MAS)；质量信息分系统(QIS)；网络／数据库分系统(NET&DB)。

1、并行工程的定义：

并行工程CE是对产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。这种工作模式力图使开发人员从一开始就考虑到产品全生命周期中的各种因素，包括质量、成本、进度及用户需求。2并行工程的核心内容：（简述）

1．产品开发队伍重构

并行工程首先必须打破传统的、按部门划分的组织形式，组成以产品开发为对象的集成产品开发团队IPT。它包含三类人员：企业管理决策者、团队领导和团队成员。

IPT的规模一般分为：

(1)任务级（2）项目级（3）工程级（4）企业级

2．过程重构

在深入分析了企业现有产品开发流程中对TQCSE(时间、质量、成本、服务、环境)构成障碍的各种因素之后，企业决策者必须下决心对传统的产品开发模式进行改革，组建在并行工程哲理下所需要的IPT（集成产品开发团队）。这种方法可称为产品开发过程重构(Product Development Process Re-engineering)。它包括市场分析、确定产品开发信息流程和开发进程。过程重构应按任务级、项目级、工程级和企业级分层次实施。随着团队规模的增大，过程重构的复杂程度成倍增长。过程重构应当考虑下列因素：

(1)明确责任，划分的产品开发数据流程。(2)产品开发过程由串行改为并行。(3)对IPT成员素质的要求。(4)不同层次的IPT对协同环境的要求。(5)尽量利用已有的资源。其主要工作有： 1)确定任务规划树。2)制订信息流。

3．数字化产品定义

工作内容包括产品整个生命周期，诸进程的数字化产品模型和产品生 命周期数据管理以及数据化工具集成和信息集成。(1)产品数据定义与管理。(2)工具集成和信息集成。4．协同工作环境

协同工作环境是用于支持IPT协同工作的网络与计算机平台。以上四点内容再加上以下：

并行工程CE作为一种崭新的设计“哲理”，是以缩短产品开发周期、降低成本、提高产品质量和提高产品设计一次成功率为目标，把先进的管理思想和先进的自动化技术结合起来，采用集成化和并行化的思想设计产品及其相关过程。它是对产品及其相关过程(包括制造和支持过程)进行集成地并行地设计的系统化工作模式。它在产品设计阶段，实时并行地模拟产品在制造过程中各环节的运作；在决定产品结构的同时能模拟产品在实际工作中的运转情况，预测产品的性能、产品可制造性(含可装配性)及其对结构设计的影响，评价制造过程的可行性及企业集团资源分配的合理性；以及对可能取得的效益及所承担的风险评估等等进行模拟运作。这种模式力图使产品开发人员从设计一开始就考虑到产品全生命周期中的各种因素，包括质量、成本、进度及用户需求。

并行工程的哲理和技术不是简单的发明或创造，而是集成了制造业中许多新的技术、模式、思想，经过系统化的抽象发展而成的，实现产品生命周期内的过程集成。多品种小批量生产模式中的一体化设计与制造、大规模生产模式中的标准化零部件开发、精良生产模式中的综合产品开发团队、面向制造的设计、CIMS中的信息集成，以及集成化、智能化、网络化、可视化、CAD／CAE／CAPP／CAM等都对并行工程的产生有着直接的影响

1、反求工程的概念：反求工程又称为逆向工程或逆工程，是近年发展起来的引进、消化、吸收和提高先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合。它以已有的产品或技术为研究对象，以现代设计理论、生产工程学、材料学、计量学、计算机技术及计算机图形学和有关专业知识为基础，以解剖、掌握对象的关键技术为目的，最终实现对研究对象的认识、再现及创造性地开发。

1、产品驱动的企业动态联盟的概念 ：企业动态联盟有时亦称为虚拟企业，它是敏捷制造的一种主要实现模式。它以具有共同利益的产品开发与制造为凝聚核心，将不同企业中具有技术与经验优势的相关部分组合在一起，构成了如图6-4所示的企业链形态。其中，企业动态联盟形态的构成主要依赖于计算机网络技术。因此可以说，在某种程度上计算机网络尤其是Internet是企业动态联盟构成的纽带。

在企业动态联盟中，所有的企业均称为成员企业，根据成员企业所起的作用不同，可划分成盟主企业和盟员企业。盟主企业是企业动态联盟的发起者，掌握着产品设计与制造等的核心技术，具备面向市场的核心竞争力，并决定着将邀请哪些企业作为盟员企业加入。此外，盟主企业有责任控制与调度相关的制造链、供应链等。盟员企业则是由盟主企业根据相关条件或通过招投标机制在双赢的前提下选择确定的。

1、绿色设计的含义：绿色设计是获得绿色产品的基础。它是指在产品生命周期的全过程中，充分考虑对资源和环境的影响，在考虑产品的功能、质量、开发周期和成本的同时，优化有关设计因素，使得产品及其制造过程对环境的影响和资源的消耗到最小。

2、目前逆向工程在制造业的应用领域大致可分为以下几种情况：(1)在没有设计图样或者设计图样不完整以及没有CAD模型的情况下，在对零件原型进行测量的基础上，使其原型再现，形成零件的数字化模型，通过性能分析及结构改进，最后形成CAD模型，并以此为依据进行快速原型制造或编制数控加工的NC代码，加工复制出一个相同的零件。(2)对现有的产品某个零件进行修复时，需用反求工程获得现有产品零件的CAD模型，对CAD模型进行各种性能及尺寸分析，从而确定该零件结构信息和工艺信息，或者借助于逆向工程技术抽取零件原型的设计思想，指导新的设计。这是由实物逆向推理找出设计思想的一种渐进过程。（3)当设计必须通过实验测试才能定型的工件时，通常也采用反求工程的方法。譬如在航天航空领域，为了满足产品对空气动力学等的性能要求，首先要求在初始设计模型的基础上经过各种性能测试(如风洞实验等)与修改，建立符合要求的试验模型。为将这种试验模型转换为产品模型，应用反求工程技术能够很好地满足这个要求。(4)对于外型难以直接用计算机进行三维造型的设计(如复杂的艺术造型)，一般用黏土、木材或者塑料进行初试外形设计，并经反复修改形成最终的事物模型。这时就需要通过逆向工程将实物转化为三维CAD模型。(5)当设计制作人体拟合产品时，如头盔、太空服、假肢以及人体活性骨骼等，也正是应用反求工程的技术之处。

2、面向回收的设计DFR的几种方式：（具体分析）

1)重用。即将回收的零部件直接用于另一种用途，如电动机等2)再加工。指回收的零部件在经过简单的修理或检修后，应用在相同或不同的场合。3)高级回收。指经过重新处理的零件材料被应用在另一更高价值的产品中。4)次级回收。指将回收的零部件用于低价值产品中，如计算机的电路板用于玩具上。5)三级回收。也称化学分解回收，指将回收的零部件的聚合物通过化学方式分解为基本元素或单元体，用于生产新材料，也可用于生产其他产品，如石油、沥青等。6)四级回收。也称燃烧回收，即燃烧回收的材料用以生产或发电。7)处理。主要指填埋。

2、企业动态联盟的建立流程（四个阶段）

(1)第一阶段，目标确定。主要用于完成市场机遇的寻求与评估分析、差距分析与目标确定两项任务。(2)第二阶段，动态联盟建模及伙伴选择。动态联盟建模及伙伴选择阶段的任务主要涉及到三个方面，即虚拟企业过程规划、成员企业确定及动态联盟的企业模型设计。当成员企业不具备敏捷化需求时，还必须对该企业实施敏捷化改造或业务过程重组。(3)第三阶段，组织设计。组织设计阶段包含两方面的含义，一是搭建企业动态联盟；二是从项目分解的角度出发，进行任务分解，明确动态联盟的参与者所承担的责任与义务。(4)第四阶段，实施阶段。以上各阶段所做的工作隶属于规划与逻辑方案的确定。而实施阶段的主要任务就是使之变成相应的物理实现。因此，实施阶段要解决基于网络的基础信息结构的选用、使能技术的应用以及将对应的使能工具集成到该信息结构中。

第二篇：先进材料导论

石墨烯导电高分子复合材料研究进展

摘要：本文综述了有关填充型导电高分子复合材料的研究进展及其应用，重点介绍并比较了石墨烯/聚合物导电高分子复合材料的制备方法，讨论了石墨烯的功能化改性处理。

关键词：石墨烯；导电高分子；制备方法；改性

导电高分子复合材料自1977年被发现以来[1]，得到了科学家的广泛关注。导电高分子材料按自身结构和制备方法不同可分为结构型（本征型）和复合型两大类，其中复合型导电高分子材料因其制备工艺简便，性能优越，具有较强的实用性而受到工业界更为广泛的关注。目前制备导电高分子复合材料的填料主要有碳系材料和金属系材料两大类，碳系材料中的炭黑、石墨、碳纳米管多年来凭借其优异性能而得到广泛应用，近年来石墨烯凭借其优良的导电导热性能及优异的机械特性而得到更广泛的研究。本文对石墨烯导电高分子复合材料研究进展进行综述。1 石墨烯简介

自2004 年石墨烯（Graphene，Gr）被英国曼彻斯特大学两位科学家Andrew Geim和Konstantin Novoselov[2]用一种简单的胶带剥离方法首次制得后，石墨烯便成为科学家研究的新宠。

石墨烯是一种由单层碳原子紧密堆积排列具有二维蜂窝状结构的新材料[3]，厚度只有原子直径大小（约为0.35 nm），是目前世界上已知的最薄的二维材料[4]。在石墨烯中，相邻两个碳原子以共价键结合，每个碳原子发生sp2杂化，这使得每个碳原子剩余的p轨道上都有一个电子，这些电子之间相互作用，在石墨烯垂直平面上形成一个无穷大的离域大π键，在这个大π键中电子可自由移动，这就使得石墨烯电导率能高达到106 s/m[5]。石墨烯独特的结构特征，使其在能源电池[6~8]、电容导体[9~11]、传感原器件[12]、吸波材料[13]、防腐材料[14]等领域有十分广泛的应用前景。以石墨烯为填料可大大改善聚合物的导电、导热及力学性能。

目前，制备石墨烯的方法主要有化学还原法及物理剥离法。物理剥离法是通过超声剥离等机械手段对石墨进行剥离以得到片层石墨烯。化学还原法中应用比较广泛的是利用Hummers 法： 先将石墨氧化成氧化石墨（GO），然后将GO通过还原剂（如水合肼、硼氢化钠等）还原成Gr。除了以上较基本的两种

途径外，还有电泳沉淀法[15]、碳管转换法[16]等新颖的方法来制备高导电性能的石墨烯。石墨烯/聚合物导电复合材料的制备方法

制备石墨烯/聚合物导电复合材料最重要的是提高石墨烯在聚合物基体中的分散程度，这是因为石墨烯的比表面积很大，片层之间较强的范德华力使得其极易团聚[17]。所以通常要采用机械搅拌、超声分离和加入表面活性剂对石墨烯表面进行修饰等方法来提高石墨烯在聚合物基体中的分散性。从石墨烯与聚合物基体的相互作用的本质上来看，上述方法可分为物理混合和化学复合两类。本文中主要介绍熔融共混法、溶液共混法、原位聚合法、原位还原法以及聚合物插层法。2.1 熔融共混法

熔融共混法通常是将GO经过剥离及还原制成Gr，然后将Gr加入到粘流状态的聚合物基体中，通过密炼、挤出、注塑和吹塑成型制得复合材料。

洪江彬等[18]以聚碳酸酯（PC）为基体材料，采用熔融共混法制备了Gr微片/PC、炭黑/PC、Gr微片母料/PC导电复合材料，并研究不同导电填料对导电性能的影响。结果表明，通过控制加工工艺可以有效避免Gr微片结构在熔融加工过程中的破坏，使得Gr能均匀分散在基体中，同时复合材料电导率能达到1.2×10−4 s/cm，Gr微片母料导电复合材料渗滤阀值约为3%（体积分数）。

Ya n 等[19]将体积分数为1.38%的石墨烯和聚苯胺12（PA12）熔融共混，成功制得高导电性的Gr/PA12二元纳米复合材料，纯PA12材料的电导率为2.8×10−14s/m，研究表明Gr/PA12复合材料的电导率迅速增加到6.7×10−2s/m，同时其渗滤阀值仅为0.3%（体积分数）。

熔融共混法要使各组分混合均匀，复合体系就必须进行混合，但如果混合温度过高就会破坏Gr填料在体系中的分布、结构及取向，从而影响复合材料的导电性能，所以必须严格控制混合工艺的条件。同时为了保持导电复合材料的结构完整，在挤出时受应力要足够小，剪切速度要尽可能低，因此使用熔融共混法时选择合适的混炼工艺是十分重要的。2.2 溶液共混法

溶液共混法通常是将Gr稳定的分散在有机溶剂中，然后将聚合物基体加入到G r 分散液中； 也有将聚合物基体分散于有机溶剂中，再向分散液中加入

Gr。再通过机械搅拌、超声分散以及冷冻干燥等技术制得Gr/聚合物导电复合材料。一般来说，采用溶液共混法制得的导电复合材料的导电性要比采用熔融共混法制得的材料高。相比较熔融共混法，溶液共混法通过机械搅拌或超声分散等一些物理手段能将石墨烯更均匀地分散于聚合物基体中。

Ahmed S Wajid 等[20]通过将聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）分别溶于乙醇、甲醇、二甲基甲酰胺、二甲亚砜中，然后将膨胀石墨加入到PVP溶液中，室温下通过超声处理直接将膨胀石墨剥离成片层Gr，通过离心、冷冻干燥处理验证了PVP的存在有利于石墨烯在溶剂中的分散，同时对G r/PVP复合材料的导电性能进行分析，发现Gr体积分数为0.27%时电导率比纯PVP材料提升了7个数量级。

Pang 等[21]在200℃ 下制备溶剂为水/乙醇具有隔离结构的G r/超高分子量聚乙烯纳米复合材料，其电导率从10−8s/m（G r体积分数为0.06%）增加到0.076 s/m（Gr体积分数为0.15%），渗滤阀值仅为0.070%（体积分数）。2.3 原位聚合法

所谓原位聚合法就是将Gr与聚合物单体混合，然后通过加入引发剂等方法使单体聚合，最后制得Gr/聚合物复合材料。这种方法可以较为显著地增强Gr与基体之间的相互作用，对电导率的提高有一定的作用。原位聚合法可一定程度上在Gr和聚合物基体间引入化学键，这些化学键的引入对导电复合材料的导电、导热及机械性能都是有帮助的。

Sumanta等[22]以过硫酸铵（APS）为引发剂，将聚吡咯（PPy）和聚苯胺（PAIN）单体加入到Gr/改性Gr分散液中进行聚合反应，制得Gr（改性Gr）/ PPy复合材料，以及Gr（改性Gr）/PAIN复合材料，其中采用了十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）对Gr进行改性。通过对这两类复合材料的导电性能测试发现改性Gr/PAIN的电导率达到了8.12 s/cm，大于聚苯乙烯磺酸钠（PSS）改性Gr/PAIN的电导率（其值为4.96 s/cm）[23]。通过以上可看出通过原位聚合法制备Gr/聚合物复合材料过程中加入的表面活性剂不同对复合材料的导电性能有较大影响。2.4 原位还原法

原位还原法实际上是利用GO易分散于溶剂中的性能，先将分散于溶剂中的GO加到聚合物基体分散液中，通过充分的搅拌、超声振荡等手段将GO与

聚合物基体充分混合均匀，然后加入还原剂（如水合肼）对GO进行充分还原，将反应产物进行干燥即得到Gr/聚合物复合材料。这与前三种方法相比，此法能将Gr均匀地分散于基体中，因此研究较为广泛。

Long等[24]将GO吸附在聚苯乙烯（PS）表面，制成GO/PS微球，再用维生素C对微球上GO进行还原处理，最后在200℃将Gr/PS热压成型制得所需的复合材料。通过对复合材料的导电性能进行测试发现电导率达到了20.5s/m，渗滤阀值仅为0.08%（体积分数）。

Vi e t 等[25]将G O 与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）乳液混合均匀，在80℃下加入水合肼对GO还原处理3 h 制得Gr/PMMA聚合物，通过研究发现在Gr含量为2.7%（体积分数）时电导率达到64s/m，渗滤阀值为0.18%（体积分数）。

原位还原法的缺点就是GO的还原程度问题，其中还原剂的选择、还原温度及还原时间的设定都会对复合材料的导电性能产生较大的影响。现在较常用还原剂主要是水合肼、硼氢化钠等，其他一些如维生素C[26]、L-抗坏血酸[27]等也相继被研究使用。2.5 聚合物插层法

聚合物插层法是指通过机械剪切力或溶剂作用将聚合物分子插入到Gr片层中去，从而得到Gr/聚合物复合材料。通过这种方法制得的复合材料中聚合物分子与Gr之间的相互作用更加显著，因次通过此法能更加提升材料的各方面性能。

Stankovich等[28]先用异氰酸苯酯对GO进行改性处理，将处理后的GO与PS在极性非质子溶剂二甲基甲酰胺（DMF）中进行超声混合处理，并用水合肼进行化学还原，然后将所得样品烘干并热压成型，制得Gr/PS导电复合材料。通过研究发现Gr的加入使复合材料的导电导热性能明显增强，其导电性能与碳纳米管复合材料相当，复合材料的渗滤阀值为0.1%（体积分数），导电率能达到0.1～1s/m。Ramanathan等[29]将片层Gr分别插层填充入PMMA、聚丙烯晴（PAN）两种基体中制得导电复合材料，结果表明复合材料的导电性能得到显著的增强。石墨烯的功能化改性处理

在制备石墨烯/ 聚合物导电复合材料的过程中都会涉及到一个重要的问题，就是石墨烯与聚合物基体和溶剂的相容性。由于石墨烯片层间较强的范德华力使得其十分容易团聚，同时结构相对完整的石墨烯化学稳定性高，与其他介质的相互作用弱，因此纯石墨烯在有机溶剂或是聚合物基体中的分散性差，这就导致复合材料的导电性较低。为了提高其分散性，必须对石墨烯进行有效的功能化改性，引入一些特定的官能团，这样不仅可以提高石墨烯的分散性，同时引入的官能团还能赋予石墨烯一些其他的性质，拓宽了其应用领域。对石墨烯进行功能化改性处理的方法有两种： 共价键改性和非共价键改性。非共价键改性依赖于π-π 相互作用、氢键等分子间较弱的相互作用力，易被破坏。而共价键改性引入化学键，不易被破坏，因此得到更广泛的研究。3.1 共价键改性石墨烯

石墨烯的共价键功能化改性主要是通过石墨烯或石墨烯衍生物（如GO）进行多种化学反应，将有机高分子或小分子基团通过共价键与石墨烯片层相连接。根据合成前驱体的种类，共价键改性可分为GO的共价键修饰和非GO的共价键修饰。根据合成方法的不同可分为向石墨烯接枝法（graft-onto）和从石墨烯接枝法（graft-from）。3.1.1 氧化石墨烯的共价键修饰

通过Hummers法制备GO引入各种含氧官能团，并且可以通过其他化学反应将这些含氧官能团转化为多种其他官能团，从而可以达到石墨烯与聚合物基体的成功复合。Wa n g 等[30]通过GO上环氧官能团的开环反应，用十八胺（ODA）对石墨烯单片层进行修饰，修饰后的石墨烯能稳定地分散在有机溶剂中，同时石墨烯的性质未发生改变。

在GO的共价键修饰中，向石墨烯接枝法（graft-onto）和从石墨烯接枝法（graft-from）这两种方法是较常见的。前者首先合成末端带有高活性官能团的高分子链，然后通过偶联反应直接接枝到GO上，Salavagione等[31]通过酯化反应将聚乙烯醇（PVA）与氧化石墨烯边缘的羟基相连接，发现PVA的规整度对偶联反应的活性是有影响的，并且讨论了该复合材料的热稳定性及结晶性。Xu等[32]采用原位聚合法制备石墨烯/尼龙-6（PA6）复合材料，在发生原位聚合反应的过程中，聚合物与GO羧基官能团发生偶联作用，同时改性GO的还

原也在进行中，通过研究发现PA6的接枝含量达到78%（质量分数）时，改性的石墨烯能稳定分散在PA6中。

向石墨烯接枝法的优点是接枝之前可对聚合物结构进行充分的表征，对接枝聚合物的结构能够精确可控。缺点主要是反应条件苛刻以及由于位阻效应导致的石墨烯表面接枝率低。

而从石墨烯接枝法（graft-from）则是在GO上引入所需要的可进一步修饰的官能团，通

过对这些官能团的修饰，再从GO上原位引发聚合。Shen等[33]首次采用原位自由基共聚的方法制备了具有双亲性聚合物功能化的石墨烯。他们首先通过化学氧化及超声分离制备GO分散液，然后用硼氢化钠还原GO制备结构相对较完整的石墨烯。接下来，在自由基引发剂过氧化二苯甲酰（BPO）作用下，采用丙烯酰胺和苯乙烯与石墨烯进行化学共聚反应，获得聚苯乙烯-b-聚丙烯酰胺（PS-b-PAM）嵌段共聚物改性的石墨烯。因为聚苯乙烯和聚丙烯酰胺分别在极性溶剂和非极性溶剂中具有良好的溶解性，使得改性石墨烯既能分散于水中，也能分散于二甲苯中，该方法很好的改善了石墨烯在溶剂中的分散性。3.1.2 非氧化石墨烯的共价键修饰

GO以及由其还原制备的石墨烯的导电性都是远小于完整的石墨烯，因此需要选择新的制备方法来获得导电性好且可加工的石墨烯复合材料。通过非氧化还原法能得到表面少缺陷或无缺陷的非氧化石墨烯（制备过程未经过氧化还原过程）。与氧化还原法制备的石墨烯相比，这种石墨烯表面晶格完整，具有较高的导电性能。

非氧化石墨烯获得的最常用方法是直接剥离法。Hamilton等[34]将高定向热解石墨（HOPG）在邻二氯苯（ODCB）中进行超声离心处理，得到在有机溶剂中分散良好的石墨烯，通过研究发现石墨烯溶度可以达到0.03mg/mL，得到的石墨烯平均厚度在7~10nm间，其中最薄的小于1nm，其宽度在100~500nm间，得到片层石墨烯即可对其表面进行非氧化的共价键修饰。3.2 非共价键改性石墨烯

非共价键功能化改性是指利用π-π相互作用、物理共混、氢键及离子键等非共价键相互作用，促使修饰分子对石墨烯表面进行功能化改性，形成稳定的

分散体系的改性方法。非共价键的功能化改性常常应用于制备石墨烯与其他物质的杂化体系中，例如与聚合物、金属、DNA和氧化物等。

Dreyer等[35]利用异氰酸酯改性GO，分散在PS中，还原后得到石墨烯/PS导电复合材料，研究发现在添加1%（体积分数）石墨烯时，常温下PS的电导率能达到0.1s/m。同时石墨烯的加入降低了PS的渗滤阀值。Li等[36]利用有大π共轭结构的聚乙炔类高分子PmPV与石墨烯间产生π-π相互作用，制备了PmPV改性的石墨烯,在有机溶剂中有较好的分散性。Patil 等采用化学氧化的方法制备GO，加入新解螺旋的单链DNA，然后用肼类还原，利用DNA与石墨烯间的氢键及静电作用，制备了天然高分子非共价键修饰的石墨烯。该复合材料水溶液的溶度可达到0.5~2.5 mg/mL,能稳定存在较长时间。4 石墨烯/聚合物导电复合材料的应用

导电高分子与石墨烯分别是具有一维与二维共轭结构的功能材料。导电高分子具有独特的光电性能与电化学性能，但其力学性能差，在去掺杂的状态下几乎不导电性。将石墨烯复合到导电高分子中能克服上述缺陷。因此，这类复合材料在催化，传感和能量转换与存储方面有着重要应用。本报告将总结导电高分子/石墨烯复合材料的制备与表征技术，并利用其制备气体与生物传感器，太阳能电池与燃料电池以及超级电容器。特别是基于导电高分子/石墨烯复合材料的超级电容器具有高的比电容，快速充放电性能和良好的电化学稳定性。石墨烯为导电高分子提供了原位生长基底，同时能有效地控制其微结构。两种材料的协同作用能提高其传感性能。

石墨烯/ 聚合物导电复合材料的电导率与其使用环境（如温度、湿度、气体浓度等）、填料浓度等相关，因此可将导电复合材料用作温度或浓度的敏感传感器。改变复合材料中石墨烯填料的浓度可以制备适用于任何条件下的高电流或温度传感器。

我国石墨矿资源丰富(约占世界储量的2/3)，如何对其进行高效利用是具有战略性意义的重大课题。由石墨制取石墨烯及石墨烯基宏观材料是实现其高效利用的有效途径。石墨烯即单原子层石墨，是2004 年才发现的新碳结构。从分子的角度看，石墨烯是一种二维大分子。石墨烯性能优异，是制备高强高模、高导电、高导热功能材料的新型构筑单元。然而，石墨烯的难溶及无序团聚等问题严重阻碍了其宏观有序材料的发展。针对这些问题我们做了一些研究工作。

主要是发展了功能化石墨烯方法，制得了高溶解性石墨烯和氧化石墨烯，发现了氧化石墨烯的液晶性，用液晶纺丝制备了连续的纯石墨烯纤维，用功能化石墨烯纺丝获得了连续的仿贝壳层状结构纤维。复合纤维强度高、韧性好、可导电、仿腐蚀能力强，应用面广。5 结语

石墨烯/ 聚合物导电复合材料在实际应用及理论研究中都有重大的意义，在某些领域石墨烯/ 聚合物导电复合材料扮演着更加重要的角色，但真正实现石墨烯/ 聚合物导电复合材料的工业化生产还需要解决一些问题：首先是改进复合材料的制备方法，改善石墨烯在聚合物基体中的分散状态，确定其在得到较好导电性能的同时降低其渗滤阀值，尽可能的使复合材料的导电导热性能及力学性能得到最优化的结合，对石墨烯进行化学改性能提高其在基体中的分散性，但改性剂对复合材料导电性能及力学性能有怎样的影响还需进行更深层次的研究。其次，石墨烯填料在导电高分子材料具体的导电机理如何，石墨烯与聚合物基体之间的相互作用机理等尚未有十分明确的解释，仍需进行大量的研究。6 致谢

感谢杨勇老师和付永胜老师的悉心教导，使我在先进材料导论这门课学习到了与自己研究领域不同的知识，获益匪浅。对于此次老师布置的作业，由于不是所学专业，所以自己的观点较少，更多的是借鉴与学习，希望老师您的理解。祝老师们身体健康，工作顺利。

参考文献

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第三篇：先进制造技术导论论文变电站防雷接地技术探究

先进制造技术导论作业

题目：变电站防雷接地技术探究

作者：

学院：电气工程学院

专业：电气工程及其自动化

学号：

时间：2013-06-

21变电站防雷接地技术探究

（贵州省贵阳市 贵州大学 电气工程学院 550025）

**

Substation lightning protection and grounding techniques to explore

（Guiyang, Guizhou University School of Electrical Engineering 550025）**

摘要： 变电站的防雷接地对电力系统的稳定运行，以及人类的生产生活有着十分重要的意义。本文分析了变电站防雷与接地的种类，针对各个类型的防雷与接地提出了相应的保护措施，以保证电力系统的正常运转。

关键词： 防雷 接地 直击雷防护 避雷器 回路接地Abstract：Substation lightning protection and grounding the stable operation of the power system, as well as the production of human life has a very important significance.This paper analyzes the substation lightning protection and grounding type, for each type of lightning protection and grounding proposed appropriate protective measures to ensure the normal operation of the power system.Key word：LightingGroundLighting protectionLightning arresterGround Loop1 前言 起，并向雷云方向发起的。变电站是电力系统重要组成部分，如果2.2变电站遭受雷击来源 变电站发生雷击事故，将造成大面积的停变电站遭受的雷击是下行雷，主要来自电，给社会生产和人民生活带来不便，这就两个方面：一是雷直击在变电站的电气设备

[2]

要求防雷措施必须十分可靠。由于接地装置上；二是架空线路的感应雷过电压和直击的一些问题会引起主设备的损坏，变电站一雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电站。度停止运行，给电网的稳定运行造成了很大因此，直击雷和雷电波对变电站进线及变压的麻烦，因此变电站的接地措施必须要高度器的破坏的防护十分重要。的重视起来。变电站的接地系统是保护电力2.3 防雷措施 系统的正常运行，保障设备及人身安全的措(1)变电站的直击雷防护。装设避雷针

[3]

施之一。是直击雷防护的主要措施，避雷针是保护 电气设备、建筑物不受直接雷击的雷电接受2 变电站的防雷保护 器。它将雷吸引到自己的身上，并安全导入

[4]

2.1雷电的形成地中，从而保护了附近绝缘水平比它低的【1】

雷电放电是带电荷的雷云引起的放设备免遭雷击。电现象，在某种大气和大地条件下，潮湿的装设避雷针时对于35kV变电站必须装热气流进入大气层冷凝而形成雷云，大气层有独立的避雷针，并满足不发生反击的要中的雷云底部大多数带负电，它在地面上感求；对于110kV及以上的变电站，由于此类应出大量的正电荷，这样，雷云和大地之间电压等级配电装置的绝缘水平较高，可以将就形成了强大的电场，随着雷云的发展和运避雷针直接装设在配电装置的架构上，因动，当空间电场强度超过大气游离放电的临此，雷击避雷针所产生的高电位不会造成电界电场强度时，就会发生雷云之间或雷云对气设备的反击事故。

[5]

地的放电，形成雷电。按其发展方向可分为(2)变电站对侵入波的防护。变电站下行雷和上行雷。下行雷是在雷云产生并向对侵入波防护的主要措施是在其进线上装

[6]

大地发展的，上行雷是接地物体顶部激发 设阀型避雷器。阀型避雷器的基本元件为

火花间隙和非线性电阻，目前，FS系列阀型

避雷器为火花间隙[7[和非线性电阻[8]，其主要用来保护小容量的配电装置SFZ系列阀型避雷器，主要用来保护中等及大容量变电站的电气设备；FCZ1系列磁吹阀型避雷器，主要用来保护变电站的高压电气设备。

(3)变电站的进线防护。对变电站进线实施防雷保护，其目的就是限制流经避雷器的雷电电流幅值和雷电波的陡度[9]

。当线路上出现过电压时，将有行波沿导线向变电站运动，其幅值为线路绝缘的50％冲击闪络电压[10]，线路的冲击耐压比变电站设备的冲击耐压要高很多。因此，在接近变电站的进线上加装避雷线是防雷的主要措施。如果没架设避雷线，当接近变电站的进线上遭受雷击时，流经避雷器的雷电电流幅值可超过5kA，且其陡度也会超过允许值，势必会对线路造成破坏。

(4)变压器的防护。变压器的基本保护措施是接近变压器安装避雷器，这样可以防止线路侵入的雷电波损坏绝缘。

装设避雷器时，要尽量接近变压器，并

尽量减少连线的长度，以便减少雷电电流

【11】

在连接线上的压降【12】

。同时，避雷器的接线应与变压器的金属外壳及低压侧中性点连接在一起，这样，当侵入波使避雷器动作时，作用在高压侧主绝缘上的电压就只剩下

避雷器的残压【13】

了(不包括接地电阻上的电压压降)，就减少了雷电对变压器破坏的机会。

(5)变电站的防雷接地。变电站防雷保护满足要求以后，还要根据安全和工作接地的要求敷设一个统一的接地网，然后避雷针和避雷器下面增加接地体以满足防雷的要求，或者在防雷装置下敷设单独的接地体。变电站接地保护3.1接地的概述

接地就是将电力或建筑电气装置、设施

中某些导电【14】部分，经接地线【15】

接至接

地极【16】

。接地根据工作内容划分为以下几种：1．工作接地工作接地是为系统正常工作而设置的接地。如为了降低电力设备的绝缘水平，在及以上电力系统中采用中性点

接地的运行方式，在两线一地的双极高压直

流输电中也需将其中性点接地。除主设备的接地外，在微电子电路中，根据电路性质不同，还有各种不同的工作接地比如直流地、交流地、数字地、模拟地、信号地、功率地、电源地等。2．防雷接地【17】

为了避免雷电的危害，避雷针、避雷线和避雷器等防雷设备都必须配以相应的接地装置以便将雷电

流引入大地。3．安全接地【18】

为了保证人

身的安全，将电气设备外壳【19】

设置的接地。任何接地极都存在着接地电阻，正因为如此，当有电流流过接地体时，在接地电阻上的压降将引起接地极电位的升高电流在地中扩散时，地面会出现电位梯度。3.2变电站的接地原则

变电站接地网设计时应遵循以下原则： 1.尽量采用建筑物地基的钢筋和自然金属接

地物统一连接地来作为接地网【20】；

2.尽量以自然接地物为基础，辅以人工接地体补充，外形尽可能采用闭合环形；

3.应采用统一接地网，用一点接地的方式接地。

3.3变电站接地方式

目前，变电站的接地方式有许多种，比如单点的接地、多点的接地和混合类型的接地等。单点的接地还分为串联单点的接地及并联单点的接地。一般来讲，单点的接地常常用于简单线路，、以及频率较低(f<2MHz)的电子线路【21】

。而当涉及到高频(f>20MHz)的电路时，我们应该采用多点的接地或者多

层板【22】的方式。(1)保护的接地

防雷接地是受到雷电袭击(直击、感应或线路引入)时, 为防止造成损害的接地系统.常有信号(弱电)防雷地和电源（强电)防雷地之分, 区分的原因不仅仅是因为要求接地电阻不同, 而且在工程实践中信号防雷地常附在信号独立地上, 和电源

防雷地【23】

分开建设.机壳安全接地是将系统中平时不带电的金属部分(机柜外壳, 操作台外壳等)与地之间形成良好的导电连接, 以保护设备和人身安全.原因是系统的供电是强电供电(380、220、或110V), 通常情况下机壳等是不带电的, 当故障发

生(如主机电源故障或其它故障)造成电源的供电火线【24】

与外壳等导电金属部件短路时, 这些金属部件或外壳就形成了带电体.如果没有很好的接地, 那么这带电体和地

之间就有很高的电位差【25】

.如果人不小心

触到这些带电体【26】, 那么就会通过人身形成通路, 产生危险.因此, 必须将金属外壳和地之间作很好的连接, 使机壳和地等电位.此外, 保护接地还可以防止静电的积聚.(2)工作的接地

工作接地的目的是使变电站电网和其中的仪器都能够可靠地运行并且保证系统

量测和控制信息精度【27】

而设置的接地方法.它又分成机器的逻辑地【28】、信号的回路接地、屏蔽的接地。机器的逻辑地, 同时也称

为主机的电源地[29], 它是控制中心内部逻辑的电平正端, 即+ 6V 等低压电源的电流输出地.信号的回路接地, 比如各个变送器的负端要同时接地, 开关量的信号负端接

地等方式.屏蔽的接地(包括模拟信号【30】

中屏蔽层面的接地).除了上述几种工作的接地外, 在很多系统运行场情况下容易发生混乱的还有一种特殊供电系统地, 即交流电源工作地.它也是电力系统内为了正常

运行所需要设的接地(比如中性点【31】的接地).4 结束语

根据防雷设计【32】

整体的性能、结构的性能、层次的性能和整个变电站所处的环境、变电站地基的土质条件和设备性能的用途，分别采取了相应的雷电的保护措施。对于处在不同区域的电力设备，系统将采取等电位的连接及安装新型的电源防雷装置和浪涌电压的保护等方法，从而保证处在不同层次的电力设备可以达到良好的防雷能力。接地时的防雷技术，伴随着大型变电站需求的提高和科技水平的发展，更加合理有效的办法则是使用现代的建筑基础钢筋作为地级。防雷技术是一个传统的话题，在防雷的技术领域，目前还存在着许多可供探索的新课题，比如雷云的起电机理目前还不清楚，雷电流的定量感性研究也十分薄弱，防

雷的设备也在不断地发展之中。

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第四篇：先进制造技术

先进制造技术

定义:先进制造技术是制造业不断吸收信息技术及现代化管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。特点: 1.动态性2.广泛性3.实用性4.集成性5.系统性6.高效灵活性7.先进性

构成: 从内层到外层分别为基础技术、新型单元技术、集成技术。

分类:（1）现代设计技术（2）先进制造工艺技术（3）自动化技术（4）产品数据管理技术 发展趋势: 1.集成化2.智能化3.网络化4.信息化5.自动化6.柔性化7.数字化8.虚拟化

9.极端制造10.精密化11.绿色制造

自动化技术

制造技术的自动化包括产品设计自动化、企业管理自动化、加工过程自动化和质量控制过程自动化。制造系统的自动化 突出特点是采用信息技术，实现产品全生命周期中的信息集成，人、技术和管理三者的有效集成。

问: 制造自动化技术的研究现状?

答: 1）制造系统中的集成技术和系统技术已成为制造自动化研究中热点问题；

2）更加注重研究制造自动化系统中人的作用的发挥；

3）单元系统的研究仍然占有重要的位置；

4）制造过程的计划和调度研究十分活跃，实用化的成果不多；

5）柔性制造技术的研究向着深度和广义发展；

6）适应现代生产模式的制造环境的研究正在兴起；

7）底层加工系统的智能化和集成化研究越来越活跃。

柔性制造系统定义: 我国国家军用标准 “柔性制造系统是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统,它包括多个柔性制造单元,能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整,适用于多品种、中小批量生产。”

柔性制造系统的特点：（柔性和自动化）

（1）适应市场需求，以利于多品种、中小批量生产。

（2）提高机床利用率，缩减辅助时间，以利于降低生产成本。

（3）缩短生产周期，减少库存量，以利于提高市场响应能力。

（4）提高自动化水平，以利于提高产品质量、降低劳动强度、改善生产环境。柔性制造系统一般由三个子系统组成：加工系统、物流系统和控制与管理系统。加工系统的配置

互替形式（并联）、互补形式（串联）和混合形式（并串联）三种。常见的物料存储装置有立体仓库、水平回转型自动料架、垂直回转型自动料架和缓冲料架。柔性制造系统中的数据流,实质上就是信息的流动.数据类型:基本数据、控制数据和状态数据。

柔性制造技术是在自动化技术、信息技术及制造技术的基础上发展起来的.计算机集成制造

定义:基于企业资源的一种先进制造模式是计算机集成制造系统，简称CIMS。信息集成和总体优化是集成制造系统与一般制造系统的最主要区别之一。

组成: 人与机构、经营、技术三要素。

从功能角度看，一般可以将CIMS分为四个功能分系统和两个支撑分系统。

四个功能系统: 1）工程设计自动化分系统

2）管理信息分系统（MIS）

3）CIMS制造自动化分系统(MAS)

4)CIMS质量保证分系统 质量保证分系统的目标: a.保证用户对产品的需求；

b.使这些要求在实际生产的各环节得到实现。两个支撑分系统: 计算机网络分系统 , 数据库分系统

数据库：就是以一定的组织方式将相关的数据组织在一起存放在计算机存储器上形成的、能为多个用户共享的、与应用程序彼此独立的一组相关数据的集合。

先进制造工艺技术

特点: 具有优质、高效、低耗、洁净和灵活五个方面的显著特点 特种加工技术

定义：是用非常规的切削加工手段，利用电、磁、声、光、热等物理及化学能量直接施加于被加工工件部位，达到材料去除、变形以及改变性能等目的的加工技术。

特种加工与传统切削加工的不同特点主要有：

①不是主要依靠机械能，而是用其他的能量（如电能、热能、光能、声能以及化学能等）去除工件材料；

②工具的硬度可以低于被加工工件材料的硬度，有些情况下，例如在激光加工、电子束加 工、离于束加工等加工过程中，根本不需要使用任何工具； 激光加工

定义：激光加工是利用材料在激光聚焦照射下瞬时急剧熔化和气化，并产生很强的冲击波，使被熔化的物质爆炸式地喷溅来实现材料去除地加工技术。

基本原理和特点：利用光能经过透镜聚焦后达到很高的能量密度，依靠光热效应加工各种材料。基本设备包括：激光器、电源、光学系统、冷却系统及机械系统等。

激光加工技术的应用：（1）激光打孔（2）激光切割(3)激光焊接(4)激光表面处理等加工制造领域。

电子束加工

离子束加工分为离子刻蚀、离子溅射沉积、离子镀及离子注入 4类。

激光加工、电子束加工、离子束加工都是利用高能量密度的束流作为热源，对材料或构件进行加工的技术，又称为高能束加工。

超声波加工 主要是磨粒的撞击作用

超声波加工 适合于加工硬脆材料，尤其是不导电的非金属材料。(玻璃、陶瓷、石英、硅、玛瑙、宝石)微细加工技术 是指微小尺寸零件的生产加工技术。

包括三级：微米级

亚微米级

纳米级

快速原型制造技术 原理：基于“材料逐层堆积”的制造理念，将复杂的三维加工分解为简单的材料二维添加的组合。

RPM技术的特点：（1）可以制造任意复杂的三维几何实体，不受传统机械加工中刀具无法达到某些型面的限制。

（2）成形过程中无人干预或较少干预，大大减少了对熟练技术工人的需求。

（3）任意复杂零件的加工只需在一台设备上完成，也不需要专用的工装、夹具和模具。

快速堆积成形

快速成形系统根据切片的轮廓和厚度要求，用片材、丝材、液体或粉末材料制成所要求的薄片，通过一片片的堆积，最终完成三维实体原型的制备。

选择性激光烧结则使用粉末材料。

超高速加工技术

常用的刀具材料有：涂层刀具 金属陶瓷刀具 立方氮化硼（CBN）刀具

聚晶金刚石（PCD）刀具 超高速切削机床 电主轴采用陶瓷滚动球轴承 磁悬浮轴承

PDM技术的发展可以分为以下三个阶段：配合CAD工具的PDM系统、专业PDM系统 产生和PDM的标准化阶段。

PDM系统标准化包括:管理对象的标准化和管理过程的标准化

第五篇：先进制造技术领域

附件7 “十二五”国家科技计划先进制造技术领域

2012预备项目征集指南

为深入贯彻《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》、科技发展“十二五”规划和国家科技计划管理改革的总体精神，促进科技支撑传统制造业转型和战略性新兴产业的发展，有效地组织实施“十二五”先进制造技术领域国家科技计划，做好2012年先进制造技术领域预备项目库建设工作，特制定本指南。

一、指南内容

（一）基础研究

1、绿色制造基础理论与共性技术（1）绿色制造基础理论

（2）产品寿命预测与安全服役基础理论

2、智能制造

（3）智能装备产品创新设计理论（4）精密与超精密加工技术

3、服务机器人

（5）仿生材料与结构一体化设计（6）高功率密度能源动力理论

（7）脑生肌电认知与智能假肢控制理论

（二）前沿技术研究

1、绿色制造

（1）绿色制造基础数据库与标准

（2）基于全生命周期的产品设计工具应用（3）绿色生产工艺关键技术与装备（4）制造过程碳效优化技术

（5）产品寿命预测与安全服役关键技术（6）低碳烯烃及衍生物关键工艺、技术及装备

2、智能制造

（7）微纳制造技术与应用

（8）基于系统与装备功能安全的新型控制系统（9）箱体类精密工作母机（10）新型太阳能产品制造成套装备（11）半导体照明产品制造成套装备（12）智能化工程机械成套装备（13）高端传感器、仪器仪表

3、服务机器人（14）仿人机器人

（15）机器人模块化、网络化技术、平台、标准与测试规范

4、面向制造业的核心软件产品开发（16）产品设计平台技术与系统（17）制造过程平台技术与系统（18）经营管理平台技术与系统

（19）复杂产品全生命周期监测与服务支持系统

（三）应用开发及集成示范

1、绿色制造

（1）行业、区域绿色制造产业应用示范

2、智能制造

（2）高端制造装备重点行业技术集成与应用示范（3）支撑区域支柱产业发展的装备与自动化生产线

3、服务机器人

（4）公共安全与救援机器人（5）医疗机器人

4、制造业信息化

（6）集团企业数字化应用示范（7）中小企业服务支撑平台开发与应用（8）RFID技术开发与系统集成应用（9）制造过程物联网关键技术与应用

（10）支撑行业、地方支柱产业的制造业信息化综合应用示范

5、机械产品数控化

（11）数控机械设备生产工艺技术及应用

（12）机械设备专用数控系统与驱动装置的研发及应用

（13）机床、纺织、建材、印刷、包装、木工机械行业设备数控化应用示范（包括服务平台、培训平台和标准体系）（14）数控机械设备产业集群区域应用示范

二、具体要求

（一）指南发布

预备项目推荐工作自本通知发布之日起开始，指南可从科技部网站（http://www.xiexiebang.com