学科前沿讲座 总结 中国矿业大学

第一篇：学科前沿讲座 总结 中国矿业大学

计算机学院2011级信科 学科前沿讲座报告

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大数据与云计算

通过老师对云计算的相关概念的解析，云计算，这个在网络上十分火热的名词在我们的脑海里有了更为生动的概念。

云计算是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。云是网络、互联网的一种比喻说法。过去在图中往往用云来表示电信网，后来也用来表示互联网和底层基础设施的抽象。因此，云计算甚至可以让你体验每秒10万亿次的运算能力，拥有这么强大的计算能力可以模拟核爆炸、预测气候变化和市场发展趋势。用户通过电脑、笔记本、手机等方式接入数据中心，按自己的需求进行运算。

对云计算的定义有多种说法。对于到底什么是云计算，至少可以找到100种解释。目前广为接受的是美国国家标准与技术研究院（NIST）定义：云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源共享池（资源包括网络，服务器，存储，应用软件，服务），这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互。

而大数据技术(big data)指的是所涉及的资料量规模巨大到无法通过目前主流软件工具，在合理时间内达到撷取、管理、处理、并整理成为帮助企业经营决策更积极目的的资讯。（在维克托·迈尔-舍恩伯格及肯尼斯·库克耶编写的《大数据时代》中[2] 大数据指不用随机分析法（抽样调查）这样的捷径，而采用所有数据的方法）大数据的4V特点：Volume（大量）、Velocity（高速）、Variety（多样）、Veracity（真实）。

那这两者之间到底存在着何种关系呢？

从技术上看,大数据与云计算的关系就像一枚硬币的正反面一样密不可分。大数据必然无法用单台的计算机进行处理,必须采用分布式计算架构。它的特色在于对海量数据的挖掘,但它必须依托云计算的分布式处理、分布式数据库、云存储和虚拟化技术。

云计算为什么能盛行呢?在互联网领域应用系统的构建：客户群体是不确定的、系统规模不确定、系统投资不固定、业务应用有很清晰的并行分割特征、数据仓库系统的构建、数据仓库规模可估算、数据仓库的系统投资与业务分析的价值和回报相关、商业智能应用属于整体应用、Saas模式构建数据仓库系统。

大数据管理，分布式进行文件系统，如Hadoop、Mapreduce数据分割与访问执行;同时SQL支持，以Hive+HADOOP为代表的SQL界面支持，在大数据技术上用云计算构建下一代数据仓库成为热门话题。从系统需求来看，大数据的架构对系统提出了新的挑战：

1、集成度更高。一个标准机箱最大限度完成特定任务。

2、配置更合理、速度更快。存储、控制器、I/O通道、内存、CPU、网络均衡设计，针对数据仓库访问最优设计，比传统类似平台高出一个数量级以上。

3、整体能耗更低。同等计算任务，能耗最低。

4、系统更加稳定可靠。能够消除各种单点故障环节，统一一个部件、器件的品质和标准。

5、管理维护费用低。数据藏的常规管理全部集成。

6、可规划和预见的系统扩容、升级路线图。

生物特征识别技术

生物特征识别技术作为一种身份识别的手段,具有独特的优势,近年来已逐渐成为国际上的研究热点，并且具有广阔的应用领域和市场前景。以指纹自动识别系统为代表的生物特征识别技术已经在公安刑侦、人口管理等领域广泛应用；在边检、金融、教育、医疗、社保等领域的应用也在逐步扩大。研究此选题主要是为了加强对生物特征识别技术的更进一步的认识，并将其更好地应用到电子商务领域中，为人们的日常商务活动包括人员管理、资金管理、信息资源的规划等活动提供更加安全、方便、快捷、可实施性强的解决方案。

如今,随着国际互联网络的飞速发展，网上的电子交易日益频繁,这要求对身份的确认要有绝对的保证。每个从事商务活动的个体或团体都或多或少的拥有多个账户和密码，账户和密码越多越不易保密和管理，反安全技术也越来越发达。

人的许多生物特征包括指纹、DNA等是终身不变的，而且这些生物特征具有个体唯一性。因此，相比于，比如密码等技术而言，生物特征识别具有可靠性高，重复率小的特点。由于这些特点。生物识别技术是目前最为方便与安全的识别技术，它不需要记住复杂的密码，也不需随身携带钥匙、智能卡之类的东西。生物识别技术认定的是人本身，没有什么能比这种认证方式更安全、更方便了。由于每个人的生物特征具有与其他人不同的唯一性和在一定时期内不变的稳定性，不易伪造和假冒，所以利用生物识别技术进行身份认定，安全、可靠、准确。此外，生物识别技术产品均借助于现代计算机技术实现，很容易配合电脑和安全、监控、管理系统整合，实现自动化管理。

随着网络经济和互联网技术的发展, 我国的经济、军事、社会各方面活动都越来越依赖于互联网, 特别是电子商务和金融方面。与此同时，计算机网络上出现利用网络窃取盗用他人信息的电子攻击现象也越来越多。非法登录计算机的案件正呈上升趋势, 在电子商务中假冒当事人上网采购所造成的欺诈案也在逐渐增多，甚至有孩子假充家长上网采购的案例。另外，我国也出现了使用盗窃来的身份证造成移动电话通信的损失和用他人信用卡疯狂透支的案件。

广义的电子商务是指当事人或参与人利用计算机技术和网络技术等现代信息技术手段所进行的各类商务活动，包括货物贸易和知识产权贸易之间（主要是企业和企业之间、企业与消费者之间）利用现代信息技术和计算机网络按照一定的标准所进行的各种商务活动。狭义的电子商务是指通过Internet进行的商务活动。[14]电子商务的功能有：交易活动管理、市场调研、广告宣传与信息发布、咨询洽谈、网上购物、网上支付、网上金融服务、服务传递、在线服务支持等。[15]这些活动都离不开身份识别。身份识别是电子商务领域中的重要环节。目前电子商务中身份认证常用一种传统的身份认证方法, 在网上提供标识信息(使用者帐号+ 密码来表明本人身份)。这种方法的缺点是：标识信息容易遗忘或记错, 容易被非法用户在信息传递过程中截获，更关键的是身份识别系统无法辨清标识信息真正拥有者和取得标识信息的冒充者。[16]所以，无论是谁，只要获得了标识信息，就一样拥有了相同的权力。针对出现的问题, 有效的身份鉴别技术可以防止这类案件发生。随着网络技术的广泛应用, 电子商务的迅速发展。发展电子商务的当务之急是如何解决安全问题, 包

括如何解决用户的身份、密码、保障网上交易活动的安全性, 防止网上金融诈骗和各种犯罪活动等, 这是新时代提出的新课题。Bill Gates曾做过这样的断言, 生物识别技术, 利用人的生理特征, 例如像指纹等来识别个人的身份, 将成为今后几年IT产业的重要革新。

数字矿山与虚拟现实

本节课赵老师和我讲的是数字矿山和虚拟化技术，通过这节课我们对数字化、信息化的采矿技术有了基本的了解。我们也将意识到伴随中国改革开放的步伐，伴随中国矿山企业的高速高效发展，我国煤矿数字矿山的发展前景将会极为光明。

虚拟现实即真实幻觉(Virtual Reality，简称VR，又译作灵境、幻真)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。

而数字化矿山技术中最为吸引人的就是虚拟现实技术在其中的运用。通过虚拟技术可以更为直观的了解矿区检测网络连接的每个角落。

通过几年来在数字化建设方面的探索，我们已在宏观上了解了国内外数字矿山的发展现状，并对其含义与内容有了进一步的认识：数字矿山是利用计算机技术，网络技术及数字化技术来描述矿山管理，监测与控制安全生产过程的数字化信息系统，其是实现矿山数字化的最终目标。

在很多人质疑数字矿山实践意义的阴霾之下，中国煤炭学术界提出了数字矿山的“五化”发展目标。我个人对于“五化”发展目标的理解归纳如下：

1数字化地集成管理与共享利用各类矿山数据与信息资源。从横向的角度收集庞大的信息量，对于指导实际工作有着客观，全面的意义；真正使矿山管理实现集成化、信息化、高效化。

2可视化地三维模拟和虚拟再现矿山地质采矿环境、过程及其相关现象。从视觉上对以往的二维图纸显现发生了空间及思维层次的超越。

3仿真化地模拟分析矿山采掘活动、采动影响与灾变过程。从以往的不可预测的，无法防治的漩涡之中，找到了清晰可见的研究道路。

4智能化地分析提取采动影响规律及环境与工艺参数。针对以往的经验性规律，数据性资料无疑更为精确与客观。

5自动化地预警矿山灾害并启动应急预案。更加全面科学的实践了安全生产这一煤矿开采的灵魂宗旨。

就目前我国矿山企业的具体情况而言，在承受着巨大经济压力与任务重量的同时，数字矿山对于企业的发展到底能给予什么样的利益与优势成为了很多人谈论与关注的焦点，我保守的总结一下，数字矿山的建设至少可以给矿山企业带来以下益处：

1拓展矿山企业的生存与发展空间，提高企业的实际竞争力。2促进矿山企业组织结构的优化，使各种资源有效合理的配置。3提供全面客观准确的对策分析，降低了决策的风险性。4提高了企业快速反应的能力，为突发形势与状况的处理提供了技术上的有力支持。

从我国现有部分矿山企业的数字矿山发展的进程中，这些优势正在逐步地体现，其所取得的成果也是有目共睹的。

机器学习

上学期的丁老师所教的人工智能中我们初步接触了机器学习的概念。通过这一次陈伟老师为我们讲的有关机器学习的一些基本理论和发展前景，让我们对于这门学科有了更好的理解。众所周知，学习是人类具有的一种重要智能行为，但究竟什么是学习，长期以来却众说纷纭。社会学家、逻辑学家和心理学家都各有其不同的看法。按照人工智能大师西蒙的观点，学习就是系统在不断重复的工作中对本身能力的增强或者改进，使得系统在下一次执行同样任务或相同类似的任务时，会比现在做得更好或效率更高。西蒙对学习给出的定义本身，就说明了学习的重要作用。在人类社会中，不管一个人有多深的学问，多大的本领，如果他不善于学习，我们都不必过于看重他。因为他的能力总是停留在一个固定的水平上，不会创造出新奇的东西。但一个人若具有很强的学习能力，则不可等闲视之了。机器具备了学习能力，其情形完全与人类似。

什么是机器学习？迄今尚没有统一的定义，由其名字可理解为机器学习是研究如何使用机器来模拟人类学习活动的一门学科。稍微严格的提法是机器学习是一门研究机器获取新知识和新技能，并识别现有知识的学问。这里所说的“机器”，指的就是计算机，现在是电子计算机，以后还可能是种子计算机、光子计算机或神经计算机等等。

机器能否像人类一样能具有学习能力呢？1959年美国的塞缪尔(Samuel)设计了一个下棋程序，这个程序具有学习能力，它可以在不断的对弈中改善自己的棋艺。4年后，这个程序战胜了设计者本人。又过了3年，这个程序战胜了美国一个保持8年之久的常胜不败的冠军。这个程序向人们展示了机器学习的能力，提出了许多令人深思的社会问题与哲学问题。机器的能力是否能超过人的，很多持否定意见的人的一个主要论据是：机器是人造的，其性能和动作完全是由设计者规定的，因此无论如何其能力也不会超过设计者本人。这种意见对不具备学习能力的机器来说的确是对的，可是对具备学习能力的机器就值得考虑了，因为这种机器的能力在应用中不断地提高，过一段时间之后，设计者本人也不知它的能力到了何种水平。

机器学习的研究是根据生理学、认知科学等对人类学习机理的了解，建立人类学习过程的计算模型或认识模型，发展各种学习理论和学习方法，研究通用的学习算法并进行理论上的分析，建立面向任务的具有特定应用的学习系统。这些研究目标相互影响相互促进。

目前，机器学习领域的研究工作主要围绕以下三个方面进行： 1）面向任务的研究。研究和分析改进一组预定任务的执行性能的学习系统。

2）认知模型。研究人类学习过程并进行计算机模拟。3）理论分析。从理论上探索各种可能的学习方法和独立于应用领域的算法，机器学习是继专家系统之后人工智能应用的又一重要研究领域，也是人工智能和神经计算的核心研究课题之一。现有的计算机系统和人工智能系统没有什么学习能力，至多也只有非常有限的学习能力，因而不能满足科技和生产提出的新要求。对机器学习的讨论和机器学习研究的进展，必将促使人工智能和整个科学技术的进一步发展。

计算机视觉（机器视觉）

姚老师在本堂课上为我们讲解了机器视觉的基本概念。通过较为生动的多媒体教学，让我们对这个学科有了基本的了解。

机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是指通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分 CMOS 和CCD 两种）将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。

如今，中国正成为世界机器视觉发展最活跃的地区之一，应用范围涵盖了工业、农业、医药、军事、航天、气象、天文、公安、交通、安全、科研等国民经济的各个行业。其重要原因是中国已经成为全球制造业的加工中心，高要求的零部件加工及其相应的先进生产线，使许多具有国际先进水平的机器视觉系统和应用经验也进入了中国。

经历过长期的蛰伏，2010年中国机器视觉市场迎来了爆发式增长。数据显示当年，中国机器视觉市场规模达到8.3亿元，同比增长48.2%，其中智能相机、软件、光源和板卡的增长幅度都达到了50%，工业相机和镜头也保持了40%以上的增幅，皆为2007年以来的最高水平。

2011年，中国机器视觉市场步入后增长调整期。相较2010年的高速增长，虽然增长率有所下降，但仍保持很高的水平。2011年中国机器视觉市场规模为10.8亿元，同比增长30.1%，增速同比2010年下降18.1个百分点，其中智能相机、工业相机、软件和板卡都保持了不低于30%的增速，光源也达到了28.6%的增长幅度，增幅远高于中国整体自动化市场的增长速度。电子制造行业仍然是拉动需求高速增长的主要因素。2011年机器视觉产品电子制造行业的市场规模为5.0亿人民币，增长35.1%。市份额达到了46.3%。电子制造、汽车、制药和包装机械占据了近70%的机器视觉市场份额。

通过上课的PPT我们可以知道一个典型的工业机器视觉系统包括：光源、镜头、相机（包括CCD相机和COMS相机）、图像处理单元（或图像捕获卡）、图像处理软件、监视器、通讯 / 输入输出单元等。

系统可再分为

一、采集和分析分开的系统。主端电脑（Host Computer)影像撷取卡（Frame Grabber)与影像处理器 影像摄影机 CCTV镜头 显微镜头 照明设备

Halogen光源LED光源 高周波萤光灯源 闪光灯源 其他特殊光源 影像显示器 LCD 机构及控制系统 PLC、PC-Base控制器 精密桌台 伺服运动机台

二、采集和分析一体的系统 智能相机（图像采集和分析一体）

其他配套外围设备：光源、显示、PLC控制系统等等。由于机器视觉系统可以快速获取大量信息，而且易于自动处理，也易于同设计信息以及加工控制信息集成，因此，在现代自动化生产过程中，人们将机器视觉系统广泛地用于工况监视、成品检验和质量控制等领域。

但是机器视觉技术比较复杂，最大的困难在于人的视觉机制尚不清楚。人可以用内省法描述对某一问题的解题过程，从而用计算机加以模拟。但尽管每一个正常人都是“视觉专家”，却不可能用内省法来描述自己的视觉过程。因此建立机器视觉系统是十分困难的任务。

可以预计的是，随着机器视觉技术自身的成熟和发展，它将在现代和未来制造企业中得到越来越广泛的应用。

多尺度变化的图像处理

本次孙老师给我们讲的是多尺度变换和图像感知，这个学科目前研究的问题是基于子波的统计处理方法。

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

它们主要以变换为核心，因此也称为多尺度多方向变换．为了能充分利用原函数的几何正则性，这些变换基的支撑区间表现为“长条形”，以达到用最少的系数来逼近奇异曲线．多尺度几何分析技术在图像压缩、去噪、增强及特征提取等领域，表现出的性能优势显示了其强大的发展和应用潜力。

正是由于多尺度几何变换的诸多优良特性，多尺度几何分析非常适合于进行诸如去噪、压缩、增强和特征提取等图像处理任务。

10多年来，图像多尺度几何分析技术的研究取得了不少进展，但是仍然存在很多问题，有许多方向有

待进一步研究．

1）自适应和非自适应方法的选取

近几年来，在图像多尺度几何分析领域，学者们普遍认为自适应 方法相对非自适应方法具有更好的逼近性能，于是提出了各种各样的自适应分析方法，但在某些情况下，一些非自适应方法通过简单的硬阈值处理获得的非线性逼近性能并不比复杂的自适应方法差，因此，如何选择自适应和非自适应方法，一直是学者们研究的方向． 2）滤波器组的构造和设计

图像多尺度几何分析算法中滤波器组作为各种多尺度方向变换的重要

组成部分，其性能直接影响到多尺度方向变换在实际应用中的性能，因此，有很多学者投入到滤波器组的构造和设计中，以便取得更好的变换性能．

3）基本理论框架的建立

目前，多尺度几何分析理论都是针对不同应用目的提出来的，如何从根本

上揭示其数学本质，构建统一的多尺度几何分析理论是值得研究的方向之一．

4）快速处理工具的建立目前，多尺度多方向变换没有统一有效的变换工具，如何设计快速有效的算法，发展新的多维信号处理工具，也是值得研究的方向之一．

5）多维图像模型的建立当前，多尺度几何分析方法都是建立在简单的二维图像模型之上，然而真正的自然图像远比这个模型复杂，对于更复杂的自然图像模型，如包含纹理的模型等还需要建立更好的图像模型，以便得到更优的图像多尺度几何表示方法．

6）与其他领域的结合如何将多尺度几何分析方法与数学理论、谐波分析、视觉感知、计算机视觉和信息处理等多门学科相结合，相互发展，也成为研究方向之一．

7）“稀疏逼近”的发展方向不同的多尺度几何分析技术对不同的图像有不同的稀疏表示能力，如何将变换系数的能量更加集中，有助于提取和分析图像的重要特征，得到更稀疏的图像表示，也是值得研究的方向之一．

8）算法的效率和复杂度及评价标准目前，已有的多尺度几何分析算法很多，不少算法的效果还是不错的，然而各种解决方法都是以计算复杂度或冗余度的增加为代价来获得变换精度的提高，因此，如何在提高算法效率和降低复杂度之间获得最优的结果，也是值得研究的方向之一．同时，各种分析算法目前还没有统一的评价标准．一般采用真实的或由标准测试图像人工合成的低分辨图像序列来检验新算法及改进算法，如何对各种变换算法进行量化评价，也是值得研究的方向之一

自然语言处理

在本次讲座中，老师为我们大致讲解了自然语言处理的基本原理和发展趋势。自然语言处理是计算机科学领域与人工智能领域中的一个重要方向。它研究能实现人与计算机之间用自然语言进行有效通信的各种理论和方法。自然语言处理是一门融语言学、计算机科学、数学于一体的科学。因此，这一领域的研究将涉及自然语言，即人们日常使用的语言，所以它与语言学的研究有着密切的联系，但又有重要的区别。自然语言处理并不是一般地研究自然语言，而在于研制能有效地实现自然语言通信的计算机系统，特别是其中的软件系统。因而它是计算机科学的一部分。

众所周知，语言是人类区别其他动物的本质特性。在所有生物中，只有人类才具有语言能力。人类的多种智能都与语言有着密切的关系。人类的逻辑思维以语言为形式，人类的绝大部分知识也是以语言文字的形式记载和流传下来的。因而，它也是人工智能的一个重要，甚至核心部分。

用自然语言与计算机进行通信，这是人们长期以来所追求的。因为它既有明显的实际意义，同时也有重要的理论意义：人们可以用自己最习惯的语言来使用计算机，而无需再花大量的时间和精力去学习不很自然和习惯的各种计算机语言；人们也可通过它进一步了解人类的语言能力和智能的机制。

实现人机间自然语言通信意味着要使计算机既能理解自然语言文本的意义，也能以自然语言文本来表达给定的意图、思想等。前者称为自然语言理解，后者称为自然语言生成。因此，自然语言处理大体包括了自然语言理解和自然语言生成两个部分。历史上对自然语言理解研究得较多，而对自然语言生成研究得较少。但这种状况已有所改变。

无论实现自然语言理解，还是自然语言生成，都远不如人们原来想象的那么简单，而是十分困难的。从现有的理论和技术现状看，通用的、高质量的自然语言处理系统，仍然是较长期的努力目标，但是针对一定应用，具有相当自然语言处理能力的实用系统已经出现，有些已商品化，甚至开始产业化。典型的例子有：多语种数据库和专家系统的自然语言接口、各种机器翻译系统、全文信息检索系统、自动文摘系统等。

自然语言处理，即实现人机间自然语言通信，或实现自然语言理解和自然语言生成是十分困难的。造成困难的根本原因是自然语言文本和对话的各个层次上广泛存在的各种各样的歧义性或多义性（ambiguity）。

一个中文文本从形式上看是由汉字（包括标点符号等）组成的一个字符串。由字可组成词，由词可组成词组，由词组可组成句子，进而由一些句子组成段、节、章、篇。无论在上述的各种层次：字（符）、词、词组、句子、段，„„还是在下一层次向上一层次转变中都存在着歧义和多义现象，即形式上一样的一段字符串，在不同的场景或不同的语境下，可以理解成不同的词串、词组串等，并有不同的意义。一般情况下，它们中的大多数都是可以根据相应的语境和场景的规定而得到解决的。也就是说，从总体上说，并不存在歧义。这也就是我们平时并不感到自然语言歧义，和能用自然语言进行正确交流的原因。但是一方面，我们也看到，为了消解歧义，是需要极其大量的知识和进行推理的。如何将这些知识较完整地加以收集和整理出来；又如何找到合适的形式，将它们存入计算机系统中去；以及如何有效地利用它们来消除歧义，都是工作量极大且十分困难的工作。这不是少数人短时期内可以完成的，还有待长期的、系统的工作。以上说的是，一个中文文本或一个汉字（含标点符号等）串可能有多个含义。它是自然语言理解中的主要困难和障碍。反过来，一个相同或相近的意义同样可以用多个中文文本或多个汉字串来表示。

因此，自然语言的形式（字符串）与其意义之间是一种多对多的关系。其实这也正是自然语言的魅力所在。但从计算机处理的角度看，我们必须消除歧义，而且有人认为它正是自然语言理解中的中心问题，即要把带有潜在歧义的自然语言输入转换成某种无歧义的计算机内部表示。

自然语言处理发展至今，任然有着许多有待突破的难点： 单词的边界界定、词义的消除句法的模糊性、有瑕疵的或不规范的输入、语言行为与计划。未来的自然语言处理发展必然离不开这些问题的讨论。

感知矿山（wsn能量优化路由与矿山CPS）

本次讲座时由姜老师为我们讲解感知矿山----矿山物联网的相关理论和具体是实例。

我们知道物联网是近年来新兴起的一种技术，目前在国际上还没有形成统一认识。美国和欧洲将其视为一种智能的、传感的、泛在的网络技术。国际电信联盟在 2005 年发表的网络报告《ITUInternet Reports 2005 ：The Internet of Things》中也没有对其的内涵进行明确的解释。而在 2009 年 9 月的中欧之间的物联网与企业环境研讨会上，当时的欧委会信息社会与媒体司，也就是现在的通信网络、网络数据和技术司的部门负责人则提出了他们对于物联网的理解：物联网是全球性的动态网络基础设施，它能够对标准化和能互相操作的通信协议进行自我组织，其中物既包括物理的也包括虚拟的，它有物理属性、虚拟属性、身份特征和智能接口，并能够与信息网络做到无缝结合。无论物联网的定义是什么，它都有其核心的四大技术基础，即传感网络技术、物对物的信息交换技术（M2M）、两化融合技术和传感技术（RFID）。

现如今，无论是国内外学者、研究机构还是企业都对物联网理论和其应用技术研究非常重视。在我们国家矿山物联网物联网建设进程正在不断深入，有关矿山物联网建设的理论模型已经逐渐建立起来了，也建立起了矿山物联网技术的开放性标准模型。

矿山作为物联网应用的一个重要发展区域，矿山物联网是通过各种传感、信息传输、处理技术、云计算、自动化控制技术、现代信息管理等与现代采矿及数据挖掘技术紧密相结合，构成矿山中人与人、人与物、物与物相联的网络，将原本各自独立的作业体系通过无形的纽带连成一个整体，并通过集成化的管理平台提供生产指导、安全调度、生产经营、辅助决策等功能，从而实现对真实矿山整体及相关现象的可视化、数字化及智慧化以保证矿山企业的又好又快发展。

矿山物联网的建设综合应用了物联网技术和可视化管理理论，主要是通过感知、信息传递以及信息处理，来对整个矿山及生产施工现场进行系统化、数字化和可视化的监控。潞安集团司马煤业公司在实践中试点应用了矿山物联网的物联网技术，为我们提供了宝贵的经验，矿山物联网的建设要将地质地理、采矿生产、安全监测、产品运输以及生态环境等多方面信息进行收集并数字化，把传感技术、信息处理技术、现代信息管理技术、现代监控技术等高科技与现代采矿业的生产加工技术紧密联系起来，最终形成人与人、人与物、物与物的全面联系的综合矿山网络，为详尽地感知和控制矿山生产和运营做准备，以保证整个矿山的安全与和谐。

在煤矿综合自动化建设的基础上,矿山物联网建设的核心问题是“三个感知”,即矿山物联网灾害风险,实现各种灾害事故的预警预报;感知矿工周围安全环境,实现主动式安全保障;矿山物联网设备工作健康状况,实现预知维修。“三个感知”的目标是减灾保安全为了实现“三个感知”,需要研究开发矿山特有的感知与测量技术。许多地质参数与岩层运动规律是影响矿山安全的关键因素,如地下水赋存情况、瓦斯与煤突出、岩层受力与冲击地压、采空区发火等。目前对这些影响煤矿安全的重要因素的感知技术还不是很成熟。电磁幅射、声发射、透地成像、微振监测、红外视觉识别等技术是研制矿用感知传感器的热点技术。还应加强各类新型MEMS传感器的研制。

需要利用先进智能传感器与物联网技术对煤矿有关环境与地质参数进行实时采集,根据采集的数据与理论分析,研究煤炭资源开采尤其是深部资源开采中重大灾害的成因、预测预报理论以及防治对策等关键问题;重点研究煤与瓦斯突出、矿井突水、顶板冒落与冲击地压等突发性动力灾害成灾机理、矿山重大灾害应急救援与事故分析理论与技术,为深部资源开发中重大灾害事故的预测、预报和防治提供可靠的理论基础和技术支持。

与煤矿生产密切相关的大型设备有很多,有些设备的运转状况会直接影响工作人员的生命安全,因此,对这些大型设备进行实时的健康状况监测一直是人们关注的热点。煤矿生产过程监测和控制与地面工厂生产线有很大的不同,这就是煤矿生产过程始终需要与许多未知的因素打交道,这些未知因素对煤矿安全生产起着决定性的影响作用。因而需要研究煤矿生产工作面各种设备的联动控制与煤层、顶底板的关系,建立拟人化控制模型。目前,开展了基于传感器网络的煤矿井下采煤装备远程定位、煤岩识别、大型设备姿态控制等技术的研究;在矿山机电设备变载荷的特殊工况、摩擦磨损的监测和诊断方面具有明显特色,形成了系列理论成果,开发了专用的实验装置。

第二篇：学科前沿讲座总结

学科前沿系列讲座

专 业：飞行器适航技术班 级：学 号：姓 名：陈昌浩日 期：小结

01071401 2014300465 月20日 光阴似箭，日月如梭，转眼之间我已经成为了一名大三的学生。在大一大二充分学习了基础学科知识以后，终于在大三能接触到专业相关的课程。

在前两年的基础知识学习过程中，我对航空专业的发展方面和前景以及研究方向各方面其实并不十分了解，但是学科前沿讲座给了我机会让我了解到更多本学科的一些先进技术，让我对航空系统中电子系统的领域有了更多更全面的认识，同时也给了我很大的启发，让我燃起了斗志，为航空事业的前沿科学研究贡献自己的力量，在短短的四周课时时间里，学校为我们先后安排了四位赫赫有名的教授，有姜洪开教授，宋东教授，张安教授和马存宝教授。由于时间限制和我们有限的知识水平，老师们都从大处着眼，为我们大概介绍了他们的研究方向和内容，同时还简单向我们介绍这些研究将来的实际意义，以及和我们飞行器适航专业的联系。在每次短短的两小节课中我都被他们研究的这些东西深深吸引着。也许理论上逻辑上的很专业的知识，我们没有学到多少，但老师们利用不到两个小时的时间，就基本上将一个新的领域在我们的脑海中勾勒了出来，使我们真正了解到与工程实际应用有直接联系的科学研究。虽然好多东西以我现在的水平还不能弄懂，但却让我看到我们航空专业的前景——只要努力学好知识，总有用武之地的。通过这些课程，我收获颇多。

上课期间，老师们为我们讲述了火控系统、航空电子系统、飞机通信导航与雷达系统、飞机结构健康监测与深度学习这四方面的内容，在让我们大开眼界的同时，也让我们对这些研究产生了浓厚的兴趣。

第一堂课张安老师为我们讲了火控系统，张安老师是航空学院综合技术与控制工程系的教授，张老师对火控系统的了解相当深入，从火控系统的发展历史给我们讲起，武器火控系统是控制武器自动或半自动地实施瞄准与发射的装备的总称。武器火力控制系统的简称。现代火炮、坦克炮、战术火箭和导弹、机载武器(航炮、炸弹和导弹)、舰载武器(舰炮、鱼雷、导弹和深水炸弹)等大多配有火控系统。非制导武器配备火控系统，可提高瞄准与发射的快速性与准确性，增强对恶劣战场环境的适应性，以充分地发挥武器的毁伤能力。制导武器配备火控系统，由于发射前进行了较为准确的瞄准，可改善其制导系统的工作条件，提高导弹对机动目标的反应能力，减少制导系统的失误率。

张老师告诉我们，战斗机的火控系统主要指的是：机载雷达、探测器、显示器和火控计算机等。为完成作战任务，火控系统必须能对机上所携带的各种机载武器或其他外挂物进行管理和控制，以实现对敌空中、地面、水上和水下各种运动的或静止的、可视的或不可视的目标，进行搜索、识别、跟踪、瞄准与实施各种攻击方式的武器发射、制导、战果记录等整个作战行动过程的控制和监控。可以说，火控系统直接关系到战斗的成败！

经过第一次课的熏陶，我对学科前沿研究产生了浓厚的兴趣，抱着期待的心，迎来了宋东老师带来的航空电子系统的讲解。宋东老师是西北工业大学教授、硕导，学科专业是通信与信息系统、载运工具、运用工程，研究方向包含航空电子技术以及飞行器适航性等，可以说是恰好和我在学的专业达成一致。

宋老师为我们讲解了航空电子系统发展历程和发展趋势以及各个阶段的优劣性，航空电子系统走过了漫长的发展道路，至今已经历了四代，每一代系统结构的不断演变，都进一步推动航空电子技术的发展，成为划时代的主要依据。基本上经历了分立、联合、综合到高度综合这四个阶段。

第一代航空电子系统为分立式结构，不存在中心计算机对整个系统的控制并且缺少灵活性，难以实现大量的信息交换；第二代称为联合式航空电子系统，其子系统相对独立，降低了研制经费且便于维护、更改和功能扩充；第三代称为综合式航空电子系统，其系统结构层次化，功能标准模块标准化，数据总线高速化，兼有成本低和维护方便的优点；第四代称为先进的综合航空电子系统，采用了综合核心处理机（ICP）技术，具有更大的综合范围和更高的综合程度，实现了综合传感器系统、综合飞行器管理系统，外挂系统。未来的航空电子系统会进一步朝着综合化、信息化和智能化的方向发展。

第三次课时马存宝老师带来的飞机通信导航与雷达系统的讲解，马存宝老师是我们学校的博士生导师，马老师的讲课方式幽默生动，从自己讲师的一次经历讲起，生动的告诉我们，每一堂课都可能是改变人一生的课程，它可能会影响你今后的从事方向和人生轨迹。和之前一样，老师也为我们讲解了机通信导航与雷达系统的发展历程。航电系统在现代航空和航天工程电子系统中是重要的系统之一，它按功能分为通信、导航、雷达、目标识别、遥测、遥控、遥感、火控、制导、电子对抗等系统。微电子技术和电子计算机技术则是提高各种电子系统性能的基础。

马老师以马航失联为例，为我们讲解了通信系统的构成和作用，它实现了飞机与地面的互联，飞机与飞机的相互通信，机组成员的通话，机舱内的广播试听等娱乐，系统一般包括飞行器上的电子系统和相应的地面电子系统两部分，这两部分通过电磁波传输信号合成为一个系统，实现通讯。发电报的设备实时自动的吧航班运行的数据，包括经纬度、飞行高度以及速度等数据持续不断的发回航空公司。监控终端设备在飞机起飞后实时接收飞机发出的信息，机载应答设备通过对讲机一样的东西，使得飞行员和地面空管人员建立实时联系。此外飞机通信系统不仅能用于飞机上，还能用于卫星定位等关键地方。飞机上载有的黑匣子能储存飞机的各方面信息，便于对飞机的搜救和事故的分析。可以说这一套系统不仅在民用上起到很大的作用，在军事上也起到了至关重要的作用。

最后一堂课由姜洪开老师为我们讲解飞机结构健康监测与深度学习，姜洪开老师是西工大教授和博士生导师，研究方向是飞行器故障预测与健康管理，过硬的专业知识使得这节课内容十分充实。

姜老师直击重点为我们介绍起了飞机结构健康监测与深度学习的知识，结构健康监测技术最早就起源于航空航天领域，最初的目的主要是进行结构的在和监测。随着结构设计的日益大型化、复杂化和智能化的发展，结构健康监测的内容逐渐丰富起来，不再是单纯的在和监测，而是向结构损伤监测、损伤定位、结构寿命预测等方面发展。结构健康监测是一门综合技术，涉及到结构动力学、信息技术、传感技术、设计优化等多个学科。、深度学习起源于对人脑视觉神经网络的研究。科学家通过实验发现人脑的视觉神经系统对视觉信息的处理是一个不断抽象、不断迭代的过程。深度学习可以将复杂的问题层次化，通过对每一个层次的研究使问题简单化，适合于对复杂函数的表达。如表示函数log(cos(exp(sin3(x))))，普通的浅层学习只能通过原本的表达式表示这个函数，复杂而且容易出现不可更改的错误。而深度学习可以将上述函数分为sin(x)，x3，exp(x)，cos(x)，log(x)五层，每一层只表示出该层的关键信息，大大减少了每一层的计算量，并且如果其中一层出现错误，它之后的层次可以对该层错误进行一定程度的弥补[iii]。深度学习这一特点极其适合于运用到计算复杂的航空航天领域的数据分析之中，它的一定程度的纠错能力也符合航空航天领域的高精确度、低错误率的要求。并且，目前为止，世界各国甚至创业公司已经进行了大量的航天器发射、飞行、返回实验，积累了大量的实验数据。根据航空航天领域、深度学习及迁移学习的相关知识，深度学习与迁移学习在航空航天领域中的可能应用有如下几条：航空器航天器各类部件的故障判断；对航空器航天器实验数据进行分析；对新研发航空器航天器进行预判、模拟。尽管目前深度学习及迁移学习要实际应用在航空航天领域还十分困难，但是随着计算机领域的不断发展以及在各行各业中越来越广泛的运用，深度学习及迁移学习在将来必将为航空航天领域做出自己的贡献。

短短的四周时间很快就过去了，这四周时间里不仅让我见识到了老师如此优秀的研究成果，同时也给迷茫的自己指明了新的方向，这些课程并不像基础课程那样听起来很困难需要自己去理解记忆公式，但是却给了我更大的启发和思考的空间，使我更加不忘初心，继续脚踏实地打好自己的基础，努力专研专业知识，为今后参与这些优秀先进的研究充分的准备自己，为中国的航空先进研究贡献出自己的一份力！

第三篇：材料学科前沿讲座总结

材料学科前沿讲座总结

生物医用高分子

一.引言

生物医用功能材料即医用仿生材料，又称为生物医用材料。这类材料是用于与生命系统接触并发生相互作用，能够对细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的天然或人工合成的特殊功能材料。随着化学工业的发展和医学科学的进步，生物医用功能材料的应用越来越广泛。从高分子医疗器械到具有人体功能的人工器官，从整形材料到现代医疗仪器设备，几乎涉及到医学的各个领域，都有使用医用高分子材料的例子。医用高分子材料所用的材料种类已由最初的几种，发展到现在的几十种，其制品种类已有上千种。

目前，生物医用功能材料应用很广泛，几乎涉及到医学的各个领域。其大致可分为机体外使用与机体内使用两大类。机体外用的材料主要是制备医疗用品，如输液袋、输液管、注射器等。由于这些高分子材料成本低、使用方便，现已大量使用。机体内用材料又可分为外科用和内科用两类。外科方面有人工器官、医用黏合剂、整形材料等。内科用的主要是高分子药物。所谓高分子药物，就是具有药效的低分子与高分子载体相结合的药物，它具有长效、稳定的特点。二.发展历史

生物医用高分子材料的发展经历了三个阶段，第一阶段始于1937年，其特点是所用高分子材料都是已有的现成材料，如用丙烯酸甲酯制造义齿的牙床。第二阶段始于1953年，其标志是医用级有机硅橡胶的出现，随后又发展了聚羟基乙酸酯缝合线以及四种聚酯心血管材料，从此进入了以分子工程研究为基础的发展时期。该阶段的特点是在分子水平上对合成高分子的组成、配方和工艺进行优化设计，有目的地开发所需要的高分子材料。目前的研究焦点已经从寻找替代生物组织的合成材料转向研究一类具有主动诱导、激发人体组织器官再生修复的新材料，这标志着生物医用高分子材料的发展进入了第三个阶段。其特点是这种材料一般由活体组织和人工材料有机结合而成，在分子设计上以促进周围组织细胞生长为预想功能，其关键在于诱使配合基和组织细胞表面的特殊位点发生作用以提高组织细胞的分裂和生长速度。

三.基本性能要求 1.力学性能稳定

在使用期限内，针对不同的用途，材料的尺寸稳定性、耐磨性、耐疲劳度、强度、模量等应适当。比如，用超高分子量聚乙烯材料做人工关节时，应该用模量高、耐疲劳强度好、耐磨性好的材料。2.化学性能稳定

作为生物材料，化学性能必须稳定，对人体的血液、体液等无影响，不形成血栓等不良影响。人体是一个相当复杂的环境，血液在正常环境下呈现微碱性，胃液呈酸性，且体液与血液中含有大量的钾、钠、镁离子，含有多种生物酶、蛋白质、人体的环境易引起聚合物的降解、交联及氧化反应；生物酶会引起聚合物的解聚；体液会引起高分子材料中的添加剂析出；血液中的脂类、类固醇以及脂肪等会引起聚合物的溶胀，使得材料的强度降低。例如聚氨酯中含有的酰胺基极易水解，在体内会降解而失去强度，经过嵌段改性后，化学稳定性提高。

3.与人体的组织相容性好

医用材料必须与人体的组织相容性好，不会引起炎症或其他排异反应材料，所引起的宿主反应应该能够控制在一定可以接受的范围之内。一些含有对人体有毒有害的基团是不能用作生物医用功能材料的，如有些添加剂对人体有害或有些残留单体对人体有不良影响等，这都应该引起极度的警惕。有些添加剂会随时间的变化，从材料内部逐渐迁移到表面与体液和组织发生作用，引起各种急性和慢性的反应。4.无致癌性，耐生物老化

无致癌性，耐生物老化，长期放置体内的材料及物理机械性能不发生明显的变化。生物医用药用功能材料植入人体时，除应该考虑材料的物理性质和化学性质外，另外还应该考虑其形状因素。引起癌变的因素是多方面的，有化学因素、物理因素以及病毒等。应用高分子材料植入人体后，其本身的性能以及它所包含的杂质、残余单体等都有可能引起和众多副反应的发生。研究表明，高分子材料对人体并不存在更多的致癌因素。5.易于加工成型并且来源广泛

除上述一般要求外，根据用途的不同和植入部位的不同有着各自的特殊要求，如与血液接触的不能产生凝血，眼科材料应对角膜无刺激，注射整形材料要求注射前流动性好，注射后固化要快等。作为体外时用的材料，要求对皮肤无害，不导致皮肤过敏，耐汗水等侵蚀，耐消毒而不变质。人工器官还要求材料应具有良好的加工性能，易于加工成所需的各种复杂形状。总而言之，不同的用途有着许多特殊的要求。

四、医用高分子材料分类 1.高分子人造器官

高分子人造器官主要包括人造心脏、人造肺、人造肾脏等内脏器官；人造血管、人造骨骼等体外器官；人造假肢等。由于这些人造器官需要长时间与人体细胞、体液和血液接触，因此此类材料除了需要具备特殊的功能外，还要求材料安全无毒，稳定性好，具备良好的生物相容性。大多数的高分子本身对生物体并无毒副作用，不产生不良影响，毒副作用往往来自于高分子生产时加入的添加剂，如抗氧剂、增塑剂、催化剂以及聚合不完全产生的低分子聚合物。因此对材料的添加剂需要仔细选择，对高分子人造器官应进行生物体测定。人造器官在使用前的灭菌也是重要的一个环节。另外，人造器官要求在使用条件下材料不能发生水解、降解和氧化反应等。2.高分子治疗材料 用于治疗用的功能高分子材料主要包括牙科材料、眼科材料、美容材料和外用治疗用材料。对这种材料的基本要求首先也是稳定性和相容性好，无毒副作用；其次才是机械性能和使用性能。例如，人工晶状体以前多用硅玻璃水晶体，后采用硅橡胶球，也可以用甲基丙稀酸环和甲基丙烯酸丁酯的共聚物来提高其折光性和韧性。20世纪80年代初，聚乙烯醇水凝胶被用来制造人工玻璃体，PVA水凝胶的特性与玻璃体比较接近，注入后可以与玻璃体完全融合。3.高分子包装材料

用于药物包装的高分子材料正逐年增加。包装药物的高分子材料大体上可分为软、硬两种类型。硬型材料如聚酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯等，由于其强度高、透明性好、尺寸稳定、气密性好，常用来代替玻璃容器和金属容器，制造饮片和胶囊等固体制剂的包装。新型聚酯聚萘二甲酸乙二醇酯除具有优异的力学性能及阻隔性能外，还有较强的耐紫外线性，可用于口服液、糖浆等的热封装。软型材料如聚乙烯、聚丙烯、聚偏氯乙烯及乙烯-醋酸乙烯共聚物等，常加工成复合薄膜，主要用来包装固体冲剂、片剂等药物。而半硬质聚氯乙烯片材则被用作片剂、胶囊的铝塑泡罩包装的泡罩材料。至于药膏、洗剂、酊剂等外用药液的包装，则用耐腐蚀性极强且综合性能优良的聚四氟乙烯来担任。

五、小结

医用高分子的发展已经渗透到医学的各个领域，但离随心所欲地应用高分子医用材料的目标尚有许多差距。传统的医用高分子材料多采用聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯作为硬组织材料，但它们的性能还远远不够。医用高分子材料在许多方面尚有待进一步发展。

迄今为止，许多人工脏器还不能解决凝血问题，异体材料的抗凝血性已成为医用高分子材料发展的一个重要的问题，制备生物相容性好、具有抗血栓性能的材料已成为目前的一个重要的课题。研究开发混合型人工脏器，将生物酶和生物细胞固定在高分子材料上，制备具有生物活性的人工脏器已取得很大的成就。医用材料近些年来研究效果显著，但目前仍然处于经验和半经验阶段。由于医用材料与肌体组织在结构、功能、代谢、生物化学行为和生物力学特性方面具有差异，这些材料往往被生物体看作异物，从而不被生物体接受。考虑如何才能使植入材料整合，使得组织重建并建立在分子设计的基础上以材料的结构与性能关系、材料的化学组成表面性质和生命体组织的相容性之间的关系为依据，从而研究开发新材料才是重要课题。

PVC复合材料

一、引言

二十世纪30年代广泛发展起来的以塑料为代表的聚合物，已具有越来越重要的地位。塑料工业在当今世界已成为新型的材料工业，塑料已经和钢材、木材、水泥并列为4大基本材料，而今作为塑料原料的合成树脂产量多年来始终以高速增长。到上实际90年代中期已经突破一亿吨。二十一世纪能源工业、材料工业、信息工业将是世界经济的三大支柱产业。塑料工业将创造各种各样性能的材料，为世界经济的发展注入强大的动力。PVC作为通用树脂之一，具有价廉、阻燃性能优良、绝缘性能好、耐腐蚀等优良的综合性能和价格低廉、原材料来源广泛的优点，已被广泛的应用于建筑、包装及汽车工业等领域，其产量仅次于聚乙烯(PE)而居世界树脂产量的第二位。硬质PVC塑料具有硬度大、刚性和强度大、耐腐蚀、耐老化性优良、电绝缘性好等优点，且价格便宜。近年来硬质品发展迅速，其中硬质挤出制品如管材、板材、异型材等正被用来代替钢材、木材等制造管道、板材、建筑结构材料、装饰材料以及各种嵌条。广泛应用于建筑、化工、医学、电子、轻工、农业及交通等部门。

我国硬质PVC制品比例甚小，无论在树脂品级、改性剂的研究、生产、加工设各改良及制品市场开拓诸方面有待发展。作为结构材料，硬质PVC制品面临的主要技术难点是：材料脆性大、耐热变形性差及热稳定性差、加工性能不佳等，这在一定程度上使它的应用受到限制。为了改进这些性能，国内外自上世纪70年代起开始大规模的开展PVC改性的研究，内容涉及增韧、增强、提 高耐热性能、赋予PVC特种功能等方面，迸一步拓宽了PVC的应用领域。国外常用PVC共混物来替代价格昂贵的工程塑料，大大提高了PVC的使用价值。PVC的增韧增强改性引起了世界各国学者广泛的关注，并展开了大量的研究工作。

二、PVC的改性 1.共混改性PVC 塑料共混改性是指在一种树脂中掺入一种或多种其它树脂(包括塑料和橡胶)。从而达到改变原有树脂性能的一种改性方法。共混方法是高分子材料改性最常用的方法，共混物中各聚合物组分之间主要是物理结合，共混物的形态结构取决于聚合物之间的热力学相容性、聚合物的组分特性、实施共混的方法和工艺条件等多方面的因素影响。PVC与其他性能相对优良的材料共混，可以提高PVC的性能。如PVC与ABS共混，能提高PVC的拉伸强度、冲击强度和加工性能。PVC与ACR或CPE共混，能显著提高PVC冲击强度和加工性能.制备共混物的方法主要有：1．机械共混法：将诸聚合物组分在混合设备如高速混合机、双辊混炼机、挤出机中均匀混合。2．溶液共混法：系将各聚合物组分溶解于共同溶剂中再除去溶剂即得到聚合物共混物。3．乳液共聚法：将不同聚合物的乳液均匀混合再共沉析而得的共混物。溶液共混法适用于易溶聚合物和某些液态聚合物共混物以溶液状态被应用的情况。4．共聚一共聚法：这是制备共混物的化学方法。该法又有接枝共聚一共混与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为重要。5各种互穿网络聚合物(IPN)技术,IPN法形成了互穿网络聚合物，是一种以化学法制备物理共混物的方法。

2.3纳米复合技术改性PVC 研究表明，任何材料进入纳米尺寸(1～100nm)时都会具有奇异或反常的特性，表面界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。这些特性使纳米微粒结构表现出奇异的物理、化学特性，具有卓越的光、力、电、热、放射、吸收等特殊功能。聚合物纳米复合材料是以聚合物为基体、填充颗 粒以纳米尺度(小于100nm)分散于基体中的新型高分子复合材料。与传统的复合材料相比，由于纳米粒子带来的纳米效应和纳米粒子与基体间强的界面相互作用，聚合物纳米复合材料具有优于相同组分常规聚合物复合材料的力学、热学性能，为制各高性能、多功能的新一代复合材料提供了可能。

近年来，利用将纳米材料分散于聚合物中以提高聚合物材料性能的研究日趋活跃。研究较多的复合技术主要有：纳米粒子增韧增强PVC、纳米插层复合物增韧增强PVC、分子复合纳米材料增韧增强PVC、原位复合材料增韧增强PVC、纳米晶须增韧增强PVC及纳米级聚合物微纤增韧增强PVC等。2.4添加改性助剂在PVC中

塑料添加改性是指在聚合物(树脂)中加入小分子无机物或有机物，通过物理或化学作用，以取得某种预期性能的一种改性方法。塑料的添加改性是开发最早的一种改性方法，它改性效果明显，工艺简单，成本低，因而应用十分广泛.塑料添加改性按添加剂的性质可以分成无机添加改性和有机添加改性两种。无机添加改性是指在塑料中添加无机添加剂的一类改性，常用的无机添加剂主要有：填充剂、增强剂、阻燃剂、着色剂及成核剂等。有机添加改性是指在塑料中添加有机添加剂的一类改性，常用的有机添加剂主要有：增塑剂、有机锡稳定剂、抗氧剂从有机阻燃剂等。

PVC的改性助剂主要包括增塑剂、抗冲剂、热稳定剂、润滑剂等几大类。

三、小结

PVC是一种通用塑料，价格低廉，应用广泛，但其韧性差、稳定性差，通过不同的方式对其进行改性复合，不仅可以使PVC达到增强、增韧的目的，还会赋予PVC一些特殊性能（如高阻隔性、高导电性、高阻燃、抑氧、尺寸稳定性、优良的光学性能等）。随着复合材料技术的发展，PVC改性复合材料的市场前景非常看好，在高性能化和功能化方面具有潜在的市场。

航空航天材料

一、简介

航空航天材料是指飞行器及其动力装置、附件、仪表所用的各类材料，是航空航天工程技术发展的决定性因素之一。也是航空航天材料科学是材料科学中富有开拓性的一个分支。18世纪60年代发生的欧洲工业革命使纺织工业、冶金工业、机器制造工业得到很大的发展，从而结束了人类只能利用自然材料向天空挑战的时代。1903年美国莱特兄弟制造出第一架装有活塞式航空发动机的飞机,当时使用的材料有木材(占47%),钢（占35%）和布（占18%）,飞机的飞行速度只有16公里/时。1906年德国冶金学家发明了可以时效强化的硬铝，使制造全金属结构的飞机成为可能。40年代出现的全金属结构飞机的承载能力已大大增加，飞行速度超过了600公里/时。在合金强化理论的基础上发展起来的一系列高温合金使得喷气式发动机的性能得以不断提高。50年代钛合金的研制成功和应用对克服机翼蒙皮的“热障”问题起了重大作用，飞机的性能大幅度提高,最大飞行速度达到了3倍音速。40年代初期出现的德国 V-2火箭只使用了一般的航空材料。50年代以后，材料烧蚀防热理论的出现以及烧蚀材料的研制成功，解决了弹道导弹弹头的再入防热问题。60年代以来,航空航天材料性能的不断提高,一些飞行器部件使用了更先进的复合材料，如碳纤维或硼纤维增强的环氧树脂基复合材料、金属基复合材料等，以减轻结构重量。返回型航天器和航天飞机在再入大气层时会遇到比弹道导弹弹头再入时间长得多的空气动力加热过程，但加热速度较慢，热流较小。采用抗氧化性能更好的碳-碳复合材料、陶瓷隔热瓦等特殊材料可以解决防热问题。

二、基本性能要求 1.高的比强度和比刚度

对飞行器材料的基本要求是：材质轻、强度高、刚度好。减轻飞行器本身的结构重量就意味着增加运载能力，提高机动性能，加大飞行距离或射程，减少燃油或推进剂的消耗。因此比强度和比刚度是衡量航空航天材料力学性能优劣的重要参数。同时飞行器除了受静载荷的作用外还要经受由于起飞和降落、发动机振动、转动件的高速旋转、机动飞行和突风等因素产生的交变载荷，因此材料的疲劳性能也受到人们极大的重视。2.优良的耐高温性质

航空材料要能耐受较高的工作温度。对机身材料，气动力加热效应使表面温度升高，需要结构材料具有好的高温强度；对发动机材料，要求涡轮盘和涡轮叶片材料要有好的高温强度和耐高温腐蚀性能。3.耐老化、耐腐蚀

各种介质和大气环境对材料的作用表现为腐蚀和老化。航空航天材料接触的介质是飞机用燃料(如汽油、煤油)、火箭用推进剂（如浓硝酸、四氧化二氮、肼类）和各种润滑剂、液压油等。其中多数对金属和非金属材料都有强烈的腐蚀作用或溶胀作用。在大气中受太阳的辐照、风雨的侵蚀、地下潮湿环境中长期贮存时产生的霉菌会加速高分子材料的老化过程。所以耐腐蚀性能、抗老化性能、抗霉菌性能也是航空航天材料应该具备的良好特性。4.寿命长以及安全性高

作为载人技术的支撑材料，安全因素是必须考虑在内的。同时要注意的是，在不断减少飞机质量的同时，更加不能忽视因质量减少而导致安全性减小现象的产生。5.成本要低

新型号的先进飞机价格不断攀升，各航空技术领先的国家和地区都先后对航空产品提出了“买得起”的要求。而材料在航空产品的成本和价格构成中占有相当份额，所以科学地选材和努力发展低成本材料技术是航空材料发展的重要方向。同时很多民航飞机，作为普通民众所要使用的交通工具，努力降低成本也是实现“以人为本”的一项要求。

三、材料分类 1.铝合金 铝合金因其技术成熟、成本低、使用经验丰富等优势，在相当长的时期内，仍将是亚音速飞机和低超音速飞机的主要结构用材之一。2.结构钢

一些新型超高强度钢在今后仍然还会是起落架、主要接头、隔框等一些主要承力构件的备选材料。3.钛合金

钛合金在飞机结构用材中所占的重要地位已确定无疑，但是钛合金的较贵的价格和较差的工艺性，是影响使用的很大因素。4.先进复合材料

由于先进复合材料具有比钢、铝、钛高得多的比强度、比模量和耐疲劳等优点，在未来高性能的飞机结构材料中，先进复合材料将会占据越来越重要的地位，甚至完全有可能出现全复合材料结构的飞机。

光纤通信

一、光纤通信的发展史

1966年，英籍华人高馄指出：如果能够减少玻璃中的杂质含量，就可以制造出损耗低于 20dB/km 的光纤。1970 年是使光纤通信发展出现跨越的一年，美国康宁公司研制出了损耗系数为 20dB / km 的光纤。同年，美贝尔公司研制出使用寿命长达几小时的半导体激光器，光纤通信从此进入飞速发展。通过以上的发展时期可以把光纤通信的发展归纳为三个阶段： 1966～1976 年：从基础研究到商业应用的开发时期；1976～1986 年：以提高传输速率和增加传输距离为目的和大力推广的发展阶段；1986～1996 年：以实现超大容量超长距离为目标，全面深入开展新技术的援救阶段。

二、光纤通信的特点 目前光纤通信己经成为通信中的最主要的传输技术，以下优点： 1.传输频带宽，通信容量大

由信氨论知道，载波频率越高，通信容量越大。它与其他通信传输系统相比，具有目前光纤通信使用的光载波频率在 1014Hz ～1015Hz 数量级，比常用的微波频率高 104倍～105倍，因而，通信容量原则上比微披通信高 104倍～105 倍。

2.传输衰减小，传输距离长

普通传输线的传输损耗，主要是由铜线的电阻以及导线间电容的漏电引起的，要想降低损耗，就得增大传输线的尺寸。而光纤传输损耗不同于普通传输线，其损耗几乎与光纤尺寸无关，且在使用的光波段内，光纤对每一频率的损耗几乎是相同的，提高纯度可以降低损耗。目前，通信用的普通石英光纤损耗一般都低于l0dB/k m。使用 1.55 波长时，损耗可以降为 0.2dB/km。3.抗电磁十扰，传输质量好

制造光纤的材料石英是绝缘介质，它不受输电线、电气化铁路的馈电线和高压设备等电器干扰的影响，不会在光纤中产生感应电磁干扰，也可避免雷电等自然因素产生的损害和危险。4.体积小、重量轻、便于施

光纤真正传光的是线芯，多模光纤的线芯直径为 50 m～85 m，单模光纤的线芯直径为 5 m～10 m，国际上规定通信光纤的包层自径为 125 m，当然，外面还要有保护层，再将若干光纤制成光缆。与电缆相比，无论是尺寸还是重量都少得多，由于光缆线径细，重量轻，可以节约地下管道建设投资，而且便于敷设、运输和施工。

5.原材料丰富，节约有色金属

有利于环保制造光纤的原材料是石英，材料丰富，并且可以代替光缆的铜线或铝线，节约有色金属，也有利于环保。光纤本身也有缺点：如光纤质地脆，机械强度低；光纤的切断和接续需要一定的工具设备和技术，光缆的歪曲半径不能过小等等。但总的说来，光纤技术比其他通信方式优越，大力发展光纤通信己成趋势。

三、光纤的结构与分类

目前通信用的光纤大多采用石英玻璃（SiO2）制成的横截面很小的双层同心圆柱体，未经涂覆和套塑时称为裸光纤，如图1所示。从图1中可以看出，光纤由纤芯和包层两部分组成，纤芯的材料是SiO2，掺杂微量的其他材料，掺杂的作用是为了提高材料的光折射率。包层的材料一般用纯 SiO2，也有掺杂的，掺杂的作用是降低材料的光折射率。所以纤芯的折射率略高于包层的折射率，目的在于使进入光纤的光有可能全部限制在纤芯内部传输。由于石英玻璃质地脆、易断裂，为保护光纤不受损害，提高抗拉度，一般需要在裸光纤外面指经过两次涂敷。它的剖面结构如图2 所示。

图一 光纤的结构图图

从图 2 中可以看出：纤芯位于光纤中心，直径（2a）为 5 m～75 m，作用是传输光波。包层位于纤芯外层，直径（2b）为 100 m ～150 m，作用是将光波限制在纤芯中。为了使光波在纤芯中传送，包层材料折射率 n2比纤芯材料折射率 n l 小，即光纤导光的条件是 n l > n2。一次涂敷层是为了保护裸纤而在其表面涂上的聚氨基甲酸乙脂或硅酮树脂层，厚度一般为30 m ～150 m。套层又称二次涂覆或被覆层，多采用聚乙烯塑料或聚丙烯塑料、尼龙等材料。经过二次涂敷的裸光纤称为光纤芯线。

图二 光纤剖向结构图

光缆一般由缆芯、加强元件和护层三部分组成。(a)缆芯：由单根或多根光纤芯线组成，有紧套和松套两种结构。紧套光纤有二层和三层结构。(b)加强元件：用于增强光缆敷设时可承受的负荷，一般是用金属丝或非金属纤维制作。（c）护层：具有阻燃、防潮、耐压、耐腐蚀等特性，主要是对己成缆的光纤芯线进行保护。根据敷设条件可由铝带／聚乙烯综合粘接外护层（LAP），钢带（或钢丝）销装和聚乙烯护层等组成。

实际使用的光缆分类如表 1 所示：

表一 实际使用的光缆分类

吸附材料

一、简介 吸附法是利用吸附剂吸附废水中某种或几种污染物，以便回收或去除它们，从而使废水得到净化的方法。利用吸附法进行物质分离已有漫长的历史，国内外的科研工作者在这方面作了大量的研究工作，目前吸附法已广泛应用于化工、环境保护、医药卫生和生物工程等领域。在化工和环境保护方面，吸附法主要用于净化废气、回收溶剂（特别适用于腐蚀性的氯化烃类化合物、反应性溶剂和低沸点溶剂）和脱除水中的微量污染物。后者的应用范围包括脱色、除臭味、脱除重金属、除去各种溶解性有机物和放射性元素等。在处理流程中，吸附法可作为离子交换、膜分离等方法的预处理，以去除有机物、胶体及余氯等，也可作为二级处理后的深度处理手段，以便保证回用水质量。利用吸附法进行水处理，具有适应范围广、处理效果好、可回收有用物料以及吸附剂可重复使用等优点，随着现有吸附剂性能的不断完善以及新型吸附剂的研制成功，吸附法在水处理中的应用前景将更加广阔。

二、基本性能要求

吸附剂是决定高效能的吸附处理过程的关键因素，广义而言，一切固体都具有吸附能力，但是只有多孔物质或磨得极细的物质由于具有很大的表面积，才能作为吸附剂。工业上常用的吸附剂有：活性氧化铝、硅胶、活性炭、分子筛等，另外还有针对某种组分选择性吸附而研制的吸附材料。气体吸附分离成功与否，极大程度上依赖于吸附剂的性能，因此选择吸附剂是确定吸附操作的首要问题。工业吸附剂还必须满足下列要求：（1）吸附能力强；（2）吸附选择性好；（3）吸附平衡浓度低；（4）容易再生和再利用；（5）机械强度好；（6）化学性质稳定；（7）来源广；（8）价廉。

三、常见吸附材料种类 1.活性氧化铝

活性氧化铝是由铝的水合物加热脱水制成，它的性质取决于最初氢氧化物的结构状态，一般都不是纯粹的Al2O3,而是部分水合无定形的多孔结构物质，其中不仅有无定形的凝胶，还有氢氧化物的晶体。由于它的毛细孔通道表面具有较高的活性，故又称活性氧化铝。它对水有较强的亲和力，是一种对微量水 深度干燥用的吸附剂。在一定操作条件下，它的干燥深度可达露点‐７０℃以下。市售的层析用氧化铝有碱性、中性和酸性三种类型，粒度规格大多为100～150目。2.硅胶

硅胶是硅酸的部分脱水后的产物，其成分是SiO2·xH2O，又叫缩水硅酸。是一种坚硬、无定形链状和网状结构的硅酸聚合物颗粒，为一种亲水性的极性吸附剂。它是用硫酸处理硅酸钠的水溶液，生成凝胶，并将其水洗除去硫酸钠后经干燥，便得到玻璃状的硅胶，它主要用于干燥、气体混合物及石油组分的分离等。工业上用的硅胶分成粗孔和细孔两种。粗孔硅胶在相对湿度饱和的条件下，吸附量可达吸附剂重量的８０％以上，而在低湿度条件下，吸附量大大低于细孔硅胶。

3、活性炭

吸附剂中活性炭应用于水处理已有几十年的历史。60 年代后有很大发展，国内外的科研工作者已在活性炭的研制以及应用研究方面作了大量的工作。制作活性炭的原料种类多、来源丰富，包括动植物(如木材、锯木屑、木炭、谷壳、椰子壳、稻麦杆、坚果壳、脱脂牛骨、鱼骨等)、煤(泥煤、褐煤、沥青煤、无烟煤等)、石油副产物(石油残渣、石油焦等)、纸浆废物、合成树脂以及其他有机物(如废轮胎)等。是将木炭、果壳、煤等含碳原料经炭化、活化后制成的。活化方法可分为两大类，即药剂活化法和气体活化法。药剂活化法就是在原料里加入氯化锌、硫化钾等化学药品，在非活性气氛中加热进行炭化和活化。气体活化法是把活性炭原料在非活性气氛中加热，通常在700℃以下除去挥发组分以后，通入水蒸气、二氧化碳、烟道气、空气等，并在700~1200℃温度范围内进行反应使其活化。活性炭含有很多毛细孔构造所以具有优异的吸附能力。3.分子筛

又包括沸石分子筛和碳分子筛。分子筛与其他吸附剂相比, 还具有特殊的吸附性能, 即在低分压(或低浓度)及较高温度的吸附情况下, 分子筛与其他吸附剂 有显著的差别。如对于水, 即使在低分压或低浓度、高温度下仍有很高的吸附容量, 是其他吸附剂所不及的。

多孔金属材料的制备及应用

一、介绍

多孔材料可分为金属和非金属两大类,也可细分为多孔陶瓷材料、高分子多孔材料和多孔金属材料3 种不同的类型。多孔金属材料又称为泡沫金属,作为结构材料,它具有密度小、孔隙率高、比表面积大等特点;作为功能材料,它具有多孔、减振、阻尼、吸音、隔音、散热、吸收冲击能、电磁屏蔽等多种性能。而且,多孔金属材料往往兼有结构材料和功能材料的双重作用,是一类性能优异的多用途材料。目前,多孔金属材料已经在冶金、石油、化工、纺织、医药、酿造等国民经济部门以及国防军事等部门得到了广泛的应用。

二、制备方法

多孔金属材料作为多孔材料的重要组成部分,在材料学领域具有不可取代的地位。从20 世纪中叶开始,世界各国竞相投入到多孔金属材料的研究与开发之中,并相继提出了各种不同的制备工艺。根据制备过程中金属所处的状态可以将这些制备方法划分为以下几种:(1)液相法,(2)气相法,(3)金属沉积法。1 液相法 1.1 直接发泡法

早在19 世纪六七十年代,以直接发泡法制备多孔金属就已经获得了成功。相关实验主要集中在Al、Mg、Zn 等低熔点金属及其合金的闭孔金属材料的制备方面。经过研究者多年的实验和研究,直接发泡法制备多孔金属材料的工艺日渐成熟,目前已广泛应用于工业生产领域。直接发泡法包括两类不同的工艺:(1)直接吹气法发泡法;(2)金属氢化物分解发泡法。(1)直接吹气法发泡法 对于制备泡沫金属,直接吹气法是一种简便、快速且低耗能的金属发泡方法。该方法的工艺是首先向金属液中加入SiC、Al2O3等以提高金属液的粘度,然后使用特制的旋转喷头向熔体中吹入气体(如空气、氩气、氮气)。该法制备泡沫金属的工艺流程如图1 所示。

图1 直接吹气法发泡法制备泡沫金属材料的流程图

该方法主要应用于泡沫铝的生产中。用这种工艺来生产泡沫铝,首先应在熔融铝液中加入一种高熔点材料的细小颗粒,这种难熔颗粒在铝液中既可以增加铝液粘度,又可以在气体和金属的界面上形成一层表面活性剂,从而保证气体能稳定地滞留在铝液中,并在凝固过程中不会导致泡沫塌陷。尽管有多种符合应用条件的难熔材料,但在实际生产中常选用碳化硅作为增加铝液粘度的增粘剂。在这一过程中,碳化硅可与铝液反应形成碳硅铝的合成物,并使铝液保持在相对较低的搅拌温度。

(2)金属氢化物分解发泡法

这种方法是在熔融的金属液中加入发泡剂(金属氢化物粉末),氢化物被加热后分解出H2 ,并且发生体积膨胀,使得液体金属发泡,冷却后得到泡沫金属材料。在制备过程中,为了防止不均匀现象的发生,也可以加入固体Ca来增加粘度,以避免气泡逸出。1.2 铸造法(1)熔模铸造法 熔模铸造法是先将已经发泡的塑料填充入一定几何形状的容器内,在其周围倒入液态耐火材料,在耐火材料硬化后,升温加热使发泡塑料气化,此时模具就具有原发泡塑料的形状,将液态金属浇注到模具内,在冷却后把耐火材料与金属分开,可得到与原发泡塑料的形状一致的金属泡沫。采用这种方法制备多孔金属的成本较高,以多孔锌为例,每立方厘米的成本在10美元以上。(2)渗流铸造法

该原理是先把填料放于铸模之内,在其周围浇铸金属,然后把填料去除掉,得到泡沫金属材料。渗流铸造法可根据渗透压力的不同分为高压渗流法和低压渗流法。高压渗流法是将填料和调节性载体(均可燃)按一定的比例混合均匀,把这种混合物在模子内压实,烘干后得到一定尺寸的预制块,将预制块放入高压渗流模内,加入熔融金属液,在一定的高压下,金属液体快速渗入预制块的孔隙之中,冷却后将可燃性预制块在一定温度下燃烧去除,就得到了三维网络状的金属泡沫金属。低压渗流法则是将可溶性填料放置于预热炉的上部,通过进气口加压,使金属液体沿着型腔内壁上升至预热炉内并与填料颗粒混合,冷却后将颗粒溶解去除即可。填料有许多种,它可以是有机的或无机的颗粒,也可以是低密度的空心球。可溶性盐、泡沫玻璃球、氧化铝空心球可以作为无机填料颗粒。如果熔融的金属液凝固的速度足够快,高分子聚合物也可以作为有机填料颗粒。为了避免金属液提前凝固而不能充分的渗入,填料颗粒必须经过预热。1.3 溅射法

溅射法可以制备多孔金属(合金)材料。该方法的原理是在反应器内维持可控的惰性气体压力,在等离子的作用下,通过电场的作用将金属沉积在基体上,与此同时,惰性气体的原子也一并沉积,升高温度,金属熔化时惰性气体发生膨胀形成一个个的空穴,冷却后即为泡沫金属。2 固相法

2.1 粉末冶金(PM)法 该方法的原理是将金属粉末与造孔剂按一定的配比混合均匀后,在一定的压力下压制成具有一定致密度的预制品。将预制品在真空烧结炉中进行烧结,制得复合材料烧结坯,将烧结坯以一定方法去除造孔剂,最后制得了多孔金属材料。2.2 粉末发泡法

该方法的基本工艺是将金属或非金属粉末与发泡剂按一定的比例混合均匀,然后在一定的压力下压制成具有一定致密度的预制品。将预制品经过进一步加工,如轧制、模锻等,使之成为半成品,然后将半成品放入一定的钢模中加热,使得发泡剂分解放出气体发泡,最后得到多孔泡沫金属材料。2.3 金属空心球法

该方法是将一个个的金属空心球通过烧结粘结到一起而形成多孔结构。目前所用的金属空心球原料是以铜、镍、钢或者钛为基体的。金属空心球可以通过化学合成和电沉积的方法在高分子球的表面镀上一层金属,然后把高分子球去除而得到;通常金属空心球的直径在0.8～8mm ,壁的厚度在10～100μm。金属空心球可以用来制备通孔或闭孔、排列规则或不规则的多孔金属材料。2.4 金属粉末纤维烧结法

烧结金属粉末多孔材料是采用金属或合金粉末为原料,通过压制成型和高温烧结而制得具有刚性结构的多孔材料。其孔隙结构由规则和不规则的粉末颗粒堆垛而成,孔隙的大小和分布以及孔隙率大小取决于粉末粒度组成和加工工艺。3 金属沉积法

金属沉积法就是采用化学的或物理的方法把欲得泡沫金属的金属物沉积在易分解的有机物上,可分为电沉积和气相沉积两种。3.1 电沉积法

电沉积是用电化学的方法实现制备,它主要由4个步骤组成:(1)以泡沫有机物为基体,由于它不导电,故须在酸性条件下用强氧化剂对有机物进行腐蚀,使其表面变得易于被水润湿并产生微痕,常用的氧化剂为H2Cr2O7、H2SO4、H3PO4的混合物,这一步骤常称为粗化；(2)粗化后用PdCl2 溶液中的Pd2+对表面进行催化,称为活化；(3)放入镀液进行化学镀,得到均匀地附着于与有机物表面导电的金属层,镀液中含有金属离子和还原剂,常见的镀层有Cu、Ni、Fe、Co、Ag、Au和Pd；(4)最后将经过化学镀处理的有机物进行电镀得到所需要种类的金属和厚度。必要时可把有机物在高温下进行处理使其分解。Pd 较为昂贵,活化时加入PdCl2 会导致泡沫金属的生产成本较高,此外Pd2 + 离子吸附在高分子材料表面又具有催化作用,会加速化学镀液的分解使稳定性变差,故可采用Pd 的代用品或进行无Pd 活化工艺的研究,有的已取得了较为理想的效果。3.2 气相沉积法

泡沫金属也可以由气态的金属或金属复合体来制得。固态的基体是必须的,因为它可以说明泡沫金属产生的几何学。以泡沫镍的制备为例,通过Ni+4CO→Ni(CO)4 的反应。当加热到120℃以上时,Ni(CO)4 分解为金属Ni和CO,在分解过程中,Ni沉积在泡沫体表面上即为所要制备的产物。4 多孔金属材料的应用

由于多孔金属材料具有轻质、比表面积大等特点,又集结构材料和功能材料的特点于一身,所以多孔金属材料的应用范围很广。4.1 多孔金属材料作为结构材料的应用

多孔金属材料作为结构材料的应用领域主要集中在汽车行业、船舶行业、铁路行业三大行业。而在这三大行业中,多孔金属材料主要扮演着能量吸收材料和减振材料的角色。此外,多孔金属材料在生物医学领域也有应用。(1)能量吸收材料

多孔金属材料可用作能量吸收材料。例如，泡沫铝材作为能量吸收材料已广泛应用于汽车行业，它在汽车制造中的应用多为三明治式的三夹板,即芯层为泡沫铝或泡沫铝合金,上下层为铝板或其他金属薄板。(2)减振材料 多孔金属材料具有优良的抗冲击性能,因此它可作为减振材料。超轻质泡沫镁是密度最低的轻质金属材料,并且具有很高的减振能力。此外,在发生碰撞时,泡沫镁合金能有效地吸收冲击能。(3)生物材料

因为多孔材料具有开放多孔状结构,允许新骨细胞组织在内生长及体液的传统。尤其是多孔材料的强度及杨氏模量可以通过对孔隙率的调整同自然骨相匹配。多孔钛对人体无害且具有优良的力学性能和生物相容性,已被用作植入骨用生物材料。多孔镁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、多孔金属材料作为功能材料的应用

用传统的粉末冶金法制备的多孔金属材料作为功能材料的应用很广泛,就目前来看,其应用主要有以下几个方面。1.电池电极材料

利用高孔隙率的多孔金属材料作电极是电池电极行业的一大发展。例如，泡沫镍可以作为电化学反应堆中的电极材料还可以作可充电的NiCd 电池。2.过滤与分离

多孔金属材料具有优良的渗透性,因此过滤与分离又是其应用的一大热点。多孔金属材料的孔道对液体有阻碍作用,从而能从液体中过滤分离出固体或悬浮物。目前使用最广的金属过滤器材料是多孔青铜和多孔不锈钢。3.催化载体材料

泡沫金属在韧性和热导率方面的优势,是催化载体材料的又一选择。如将催化剂浆料涂于薄的泡沫金属片表面,然后通过成型(如轧制)和高温处理, 可以用于电厂废气氮氧化物(NOX)等的处理。4.消音材料 多孔金属材料具有如此好的能量吸收的性能,因此它也是一种很好的消音材料。泡沫铝由铝质骨架和气孔组成,它质轻并具有一定的强度,具有吸声、耐火、防火、减震、防潮、无毒等优良的特性。因此,泡沫铝是一种综合性能良好的多孔性吸声材料。5.装饰材料

泡沫金属材料作为一种新材料,不仅被工业界的人士所重视,而且也受到了设计师和艺术家们的重视。与普通材料相比,在装饰领域,泡沫金属材料可以给人们一种独特的视觉效果。以金、银为基体的泡沫材料被认为是一种有很大潜力的珠宝材料,它可以给人们带来意想不到的利润。泡沫铝已被用来制作奇特的家具、钟表、灯具等。6.其他用途

多孔金属材料的孔道对电磁波有很好的吸收能力,因此可以用作电磁屏蔽材料。在石油化工、冶金等工业中,青铜、镍、蒙乃尔合金、不锈钢等粉末烧结多孔材料应用于流体分布板。多孔金属材料还用于流体控制。最近大量应用的是在自动化系统中作为信号的控制延时器。用多孔金属材料作为灯芯材料,用多孔青铜作铸模中的排气塞,可提高铸锭质量。用多孔钛作为海水钓鱼鱼饵。在日本,多孔铁已被用作一种去臭材料。泡沫材料已经成为建筑物、高速列车电机室、无线电录音室等建筑内经常使用的吸音材料、装饰材料。由于具有质量轻和能量吸收的特点,多孔金属材料还可以应用在运动器械等领域。具有开孔结构的多孔金属材料还可以起到净化水的作用,因此被用于污水处理行业中。

锂离子电池

一、介绍

锂离子电池：是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则 相反。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。锂系电池分为锂电池和锂离子电池。手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池，通常人们俗称其为锂电池，而真正的锂电池由于危险性大，很少应用于日常电子产品。

二、发展历史

1970年，埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池。锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯，负极是锂。电池组装完成后电池即有电压，不需充电。锂离子电池(Li-ion Batteries)是锂电池发展而来。

1982年伊利诺伊理工大学(the Illinois Institute of Technology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性，此过程是快速的，并且可逆。与此同时，采用金属锂制成的锂电池，其安全隐患备受关注，因此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。

1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料，具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高，且氧化性远低于钴酸锂，即使出现短路、过充电，也能够避免了燃烧、爆炸的危险。

1989年，A.Manthiram和J.Goodenough发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电压。

1992年日本索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。随后，锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。此类以钴酸锂作为正极材料的电池，至今仍是便携电子器件的主要电源。

1996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐，如磷酸铁锂(LiFePO4)，比传统的正极材料更具安全性，尤其耐高温，耐过充电性能远超过传统锂离子电池材料。因此已成为当前主流的大电流放电的动力锂电池的正极材料。纵观电池发展的历史，可以看出当前世界电池工业发展的三个特点，一是绿色环保电池迅猛发展，包括锂离子蓄电池、氢镍电池等；二是一次电池向蓄电池转化，这符合可持续发展战略；三是电池进一步向小、轻、薄方向发展。在商品化的可充电池中，锂离子电池的比能量最高，特别是聚合物锂离子电池，可以实现可充电池的薄形化。正因为锂离子电池的体积比能量和质量比能量高，可充且无污染，具备当前电池工业发展的三大特点，因此在发达国家中有较快的增长。电信、信息市场的发展，特别是移动电话和笔记本电脑的大量使用，给锂离子电池带来了市场机遇。而锂离子电池中的聚合物锂离子电池以其在安全性的独特优势，将逐步取代液体电解质锂离子电池，而成为锂离子电池的主流。聚合物锂离子电池被誉为 “21世纪的电池”，将开辟蓄电池的新时代，发展前景十分乐观。

2015年3月，日本夏普与京都大学的田中功教授联手成功研发出了使用寿命可达70年之久的锂离子电池。此次试制出的长寿锂离子电池，体积为8立方厘米，充放电次数可达2.5万次。并且夏普方面表示，此长寿锂离子电池实际充放电1万次之后，其性能依旧稳定。

三、组成部分

锂离子电池虽然形状各不相同，但其组成部分主要为以下几个部分： 1.正极

活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂，镍钴锰酸锂材料，电动自行车则普遍用镍钴锰酸锂（俗称三元）或者三元+少量锰酸锂，纯的锰酸锂和磷酸铁锂则由于体积大、性能不好或成本高而逐渐淡出。导电极流体使用厚度10--20微米的电解铝箔。2.隔膜

一种经特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔结构，可以让锂离子自由通过，而电子不能通过。3.负极 活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳，导电集流体使用厚度7-15微米的电解铜箔。4.有机电解液

溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，聚合物的则使用凝胶状电解液。5.电池外壳

分为钢壳（方型很少使用）、铝壳、镀镍铁壳（圆柱电池使用）、铝塑膜（软包装）等，还有电池的盖帽，也是电池的正负极引出端。

参考文献

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第四篇：学科前沿讲座

学科前沿讲座

专业班级： 光信13-3_

姓 名： 朱家兴_

学 号： _10134425__

任课教师： 张国营

2016年 11月 11 日

量子计算与量子计算机

【摘要】量子计算的强大运算能力使得量子计算机具有广阔的应用前景。该文简要介绍了量子计算的发展现状和基本原理，列举了典型的量子算法，阐明了量子计算机的优越性，最后预测了量子计算及量子计算机的应用方向。

【关键词】量子计算；量子计算机；量子算法；量子信息处理 1.引言

在人类刚刚跨入21世纪的时刻！科技的重大突破之一就是量子计算机的诞生。德国科学家已在实验室研制成功5个量子位的量子计算机，而美国LosAlamos国家实验室正在进行7个量子位的量子计算机的试验【1】。它预示着人类的信息处理技术将会再一次发生巨大的飞跃，而研究面向量子计算机以量子计算为基础的量子信息处理技术已成为一项十分紧迫的任务。2.子计算的物理背景

任何计算装置都是一个物理系统。量子计算机足根据物理系统的量子力学性质和规律执行计算任务的装置【2】。量子计算足以量子计算目L为背景的计算。是在量了力。4个公设（postulate）下做出的代数抽象。Feylllilitn认为，量子足一种既不具有经典耗子性，亦不具有经典渡动性的物理客体（例如光子）。亦有人将量子解释为一种量，它反映了一些物理量（如轨道能级）的取值的离散性。其离散值之问的差值（未必为定值）定义为量子。按照量子力学原理，某些粒子存在若干离散的能量分布。称为能级。而某个物理客体（如电子）在另一个客体（姻原子棱）的离散能级之间跃迁（transition。粒子在不同能量级分布中的能级转移过程）时将会吸收或发出另一种物理客体（如光子），该物理客体所携带的能量的值恰好是发生跃迁的两个能级的差值。这使得物理“客体”和物理“量”之问产生了一个相互沟通和转化的桥梁；爱因斯坦的质能转换关系也提示了物质和能量在一定条件下是可以相互转化的因此。量子的这两种定义方式是对市统并可以相互转化的。量子的某些独特的性质为量了计算的优越性提供了基础。3.量子计算机的特征

量子计算机，首先是能实现量子计算的机器，是以原子量子态为记忆单元、开关电路和信息储存形式，以量子动力学演化为信息传递与加工基础的量子通讯与量子计算，是指组成计算机硬件的各种元件达到原子级尺寸，其体积不到现在同类元件的1%。量子计算机是一物理系统，它能存储和处理关于量子力学变量的信息【3】。量子计算机遵从的基本原理是量子力学原理：量子力学变量的分立特性、态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，量子力学变量的分立特性使它们可以记录信息：即能存储、写入、读出信息，信息的一个量子位是一个二能级（或二态）系统，所以一个量子位可用一自旋为1/2的粒子来表示，即粒子的自旋向上表示1，自旋向下表示0；或者用一光子的两个极化方向来表示0和1；或用一原子的基态代表0第一激发态代表1。就是说在量子计算机中，量子信息是存储在单个的自旋’、光子或原子上的。对光子来说，可以利用Kerr非线性作用来转动一光束使之线性极化，以获取写入、读出；对自旋来说，则是把电子（或核）置于磁场中，通过磁共振技术来获取量子信息的读出、写入；而写入和读出一个原子存储的信息位则是用一激光脉冲照射此原子来完成的。量子计算机使用两个量子寄存器，第一个为输入寄存器，第二个为输出寄存器。函数的演化由幺正演化算符通过量子逻辑门的操作来实现。单量子位算符实现一个量子位的翻转。两量子位算符，其中一个是控制位，它确定在什么情况下目标位才发生改变；另一个是目标位，它确定目标位如何改变；翻转或相位移动。还有多位量子逻辑门，种类很多。要说清楚量子计算，首先看经典计算。经典计算机从物理上可以被描述为对输入信号序列按一定算法进行交换的机器，其算法由计算机的内部逻辑电路来实现【4】。经典计算机具有如下特点：

a其输入态和输出态都是经典信号，用量子力学的语言来描述，也即是：其输入态和输出态都是某一力学量的本征态。如输入二进制序列0110110，用量子记号，即10110110>。所有的输入态均相互正交。对经典计算机不可能输入如下叠加Cl10110110>+C2I1001001>。

b经典计算机内部的每一步变换都将正交态演化为正交态，而一般的量子变换没有这个性质，因此，经典计算机中的变换（或计算）只对应一类特殊集。

相应于经典计算机的以上两个限制，量子计算机分别作了推广。量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述，如二能级系统（称为量子比特），量子计算机的变换（即量子计算）包括所有可能的幺正变换。因此量子计算机的特点为：

c量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态，其相互之间通常不正交；

d量子计算机中的变换为所有可能的幺正变换。得出输出态之后，量子计算机对输出态进行一定的测量，给出计算结果。由此可见，量子计算对经典计算作了极大的扩充，经典计算是一类特殊的量子计算。量子计算最本质的特征为量子叠加性和相干性。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算的输出结果。这种计算称为量子并行计算，量子并行处理大大提高了量子计算机的效率，使得其可以完成经典计算机无法完成的工作，这是量子计算机的优越性之一。

4.量子智能计算

自Shor算法和Grover算法提出后，越来越多的研究员投身于量子计算方法的计算处理方面，同时智能计算向来是算法研究的热门领域，研究表明，二者的结合可以取得很大的突破，即利用量子并行计算可以很好的弥补智能算法中的某些不足【5】。

目前已有的量子智能计算研究主要包括：量子人工神经网络，量子进化算法，量子退火算法和量子免疫算法等。其中，量子神经网络算法和量子进化算法已经成为目前学术研究领域的热点，并且取得了相当不错的成绩，下面将以量子进化算法为例。

量子进化算法是进化算法与量子计算的理论结合的产物，该算法利用量子比特的叠加性和相干性，用量子比特标记染色体，使得一个染色体可以携带大数量的信息。同时通过量子门的旋转角度表示染色体的更新操作，提高计算的全局搜索能力。

目前量子进化算法已经应用于许多领域，例如：工程问题、信息系统、神经网络优化等。同时，伴随着量子算法的理论和应用的进一步发展，量子进化算法等量子智能算法有着更大的发展前景和空间。

5.量子计算的应用

1.量子叠加态的计算魅力。在经典物理学中，物质在确定的时刻仅有确定的一个状态。量子力学则不同，物质会同时处于不同的量子态上。因为处于叠加态，这就意味着，量子计算一次运算就可以处理210=1024个数（从0到1023被同时处理一遍）【6】。以此类推，量子计算的速度与量子比特数是2的指数增长关系。一个64位的量子计算机一次运算就可以同时处理264=***709551616个数。如果单次运算速度达到目前民用电脑CPU的级别（1GHz），那么这个64位量子计算机的数据处理速度将是世界上最快的“天河二号”超级计算机（每秒33.86千万亿次）的545万亿倍。

量子力学叠加态赋予了量子计算机真正意义上的“并行计算”，而不像经典计算机一样只能并列更多的CPU来并行。因此在大数据处理技术需求强烈的今天，量子计算机越来越获得互联网巨头们的重视。

2.肖尔算法――RSA加密技术的终结者。1985年，牛津大学的物理学家戴维・德意志提出了量子图灵机模型的概念。随后贝尔实验室的彼得・肖尔于1995年提出了量子计算的第一个解决具体问题的思路，即肖尔因子分解算法。

我们今天在互联网上输入的各种密码，都会用到RSA算法加密。这种技术用一个很大的数的两个质数因子生成密钥，给密码加密，从而安全地传输密码。由于这个数很大，用目前经典计算机的速度算出它的质数因子几乎是不可能的任务。但利用量子计算的并行性，肖尔算法可以在很短的时间内通过遍历算法来获得质数因子，从而破解掉密钥，使RSA加密技术不堪一击。

量子计算机会终结任何依靠计算复杂度的加密技术，但这不意味着从此我们会失去信息安全的保护。量子计算的孪生兄弟――量子通信，会从根本上解决信息传输的安全隐患。

6.量子计算机的应用前景

目前经典的计算机可以进行复杂计算，解决很多难题。但依然存在一些难解问题，它们的计算需要耗费大量的时间和资源，以致在宇宙时间内无法完成【7】。量子计算研究的一个重要方向就是致力于这类问题的量子算法研究。量子计算机首先可用于因子分解。因子分解对于经典计算机而言是难解问题，以至于它成为共钥加密算法的理论基础。按照Shor的量子算法，量子计算机能够以多项式时间完成大数质因子的分解。量子计算机还可用于数据库的搜索。1996年，Grover发现了未加整理数据库搜索的Grover迭代量子算法。使用这种算法，在量子计算机上可以实现对未加整理数据库Ⅳ的平方根量级加速搜索，而且用这种加速搜索有可能解决经典上所谓的NP问题。量子计算机另一个重要的应用是计算机视觉，计算机视觉是一种通过二维图像理解三维世界的结构和特性的人工智能。计算机视觉的一个重要领域是图像处理和模式识别。由于图像包含的数据量很大，以致不得不对图像数据进行压缩。这种压缩必然会损失一部分原始信息 参考文献

1.王书浩，龙桂鲁.大数据与量子计算

2.张毅，卢凯，高颖慧.量子算法与量子衍生算法 3.Deutsch D，Jozsa R.Rapid solution of problems by quanturm computation[C]//Proc Roy Soc London A，1992，439：553-558

4.吴楠，宋方敏。量子计算与量子计算机

5.苏晓琴，郭光灿。量子通信与量子计算。量子电子学报，2004，21（6）：706-718

6.White T.Hadoop： The Defintive Guide，California：O’Reilly Media，Inc.2009：12-14

7.王蕴，黄德才，俞攸红.量子计算及量子算法研究进展.

第五篇：学科前沿讲座

听学科前沿讲座有感

学科前沿是指整个科技体系或学科群中居于主导地位具有带动其它科学发展并影响人们科学观念转变的学科。学科前沿是指某一学科中最能代表该学科发展趋势制约该学科当前发展的关键性科学问题、难题及相应的学说。

在即将毕业之际，即将踏入工作生涯，了解学科前沿是至关重要的。学院在这个时候给我们安排学科前沿讲座，意义是非凡的，我们也应该抓住这次机会认真学习学科前沿知识，为以后的工作生涯和人生打下结实的基础。

因此在听完三位老师的讲座，不禁有感而发，对机械学科的前沿有了更深入的了解。

一、对我国汽车前沿的感悟

中国汽车发展历程

新中国刚一成立就决定发展自己的汽车工业，1953年第一汽车制造厂破土动工，毛泽东主席为奠基仪式亲自题写了“第一汽车制造厂奠基纪念”。1956年我国生产的第一辆汽车下线，毛主席又亲自为其命名———解放，对于当时工业整体水平非常落后的中国人来说，这确实是一次经济上的解放。1956年是中国汽车史上令人难忘的一年。5月，第一汽车制造厂试制成功东风牌轿车，送往北京向党的八大”献礼，这是中国自制的第一部轿车，6月，北京第一汽车厂附件厂试制成功井冈山牌轿车，同时工厂更名为北京汽车制造厂。8月一汽又设计试制成功第一辆红旗牌高级轿车，9月上海汽车配件厂试制成功第一辆凤凰牌轿车。在大跃进的年代，这几辆稚嫩的国产轿车确实让全国人民欢欣鼓舞了一阵子。

六七十年代，除了红旗外，中国惟一大批量生产的轿车就是上海牌轿车。1964年，凤凰牌轿车改名为上海牌，并对制造设备做了一系列改进。首先制成了车身外板成套冲模，结束了车身制造靠手工敲打的落后生产方式，又以此为基础制成各种拼装台，添置点焊机，实现拼装流水线生产，轿车质量得到稳定和提高。1965年上海轿车通过一机部技术鉴定，批准定型。到1979年，上海牌轿车共生产了一万七千多辆，成为我国公务用车和出租车的主要车型。1972年起还对车身进行了改型，并减轻了自重。1980年，该车年产量突破5000辆。1985年，已经开始与德国大众公司合资的上海轿车厂和嘉定县联营另行建厂继续生产上海轿车，并继续做了一些技术改进，一直生产到90年代。在相当长的时间里，上海轿车支撑着国内对轿车的需求，为社会发展做出了贡献。但当时我国的汽车工业是以载货车为主导的，对轿车缺乏应用的重视，这使得我国的轿车工业技术水平长期处于极为幼稚的状态。

改革开放后，我国经济迅速发展，对轿车的需求越来越强，我国落后的轿车工业根本无法满足这种需求。一时间，外国轿车洪水般涌入我国。1984年至1987年，我国进口轿车64万辆，耗资266亿元。为了迅速提高中国轿车生产能力和技术水平，我国汽车工业开始走上与国外汽车企业合作、引进消化外国先进技术的发展道路。具体方式基本都是从进口全部散件组装开始，逐渐提高国产化率。纯种的中国汽车也在不断发展，长城、吉利、奇瑞等车厂已经发展壮大起来，技术也越来越好，反正自己孩子自己养，国人支持，他们肯定能做好。

中国汽车的发展方向

中国车企目前还处于开阔市场阶段，但从长远方向看，提高自身产品才是第一要旨。所以中国汽车业将在逐步占领世界市场的同时，加强品牌建设，提高汽车质量和性能，将中国从一个汽车生产大国向汽车研发大国转变。现代汽车电子化、智能化、多媒体化和网络化的应用，不仅提高了汽车的动力性、经济性、安全和环保性，改善了行驶的稳定性和舒适性，推动了汽车工业的发展，还为电子产品开拓了广阔的市场，从而推动了电子工业的发展。因此，大力发展汽车电子化、智能化、多媒体化和网络化，加快汽车电子化速度，是启动和振兴汽车工业的重要手段。也是中国汽车零部件企业的新的经济增长点。

二、矿用绞车前沿感悟

听完李老师的讲座，我深感到矿山机械设备的落后，据李老师所说，矿山设备要落后一般机械二十年。在那里生产的资源推动着中国的发展，然而却没有人去推动他们的发展。

在这里也深刻体会到我校老师独自走入深山的寂寞，也希望国家和社会给予更多的关注，来回馈矿山，感知矿山。解救那些用生命换来工业粮食的矿山工人们，那些对矿上不离不弃的矿大人

三、中国矿业大学的机械电子的感悟

机电是中国矿业大学起步较早的一门学科，也是社会发展的一门前沿学科，机电控制、机电一体化和机电自动化都是现代制造技术所必须的学科。在之前发展也是我校的强势学科，但由于学校领导的不只是，导至学科人才流失，技术失传，相对其他学校机械电子的大发展，而我校的机电学科有逆水行舟不进则退之势。加上学校对机电学科教学的忽视，导至学生对机电的不了解，在以后工作当中对出现问题不知道如何去解决！在这里我也希望学校和学院领导关注一下机电学科的发展，提高学生的综合素质，拓宽学生的知识面。

小结

中国矿业大学有很大一批老师机械学科前沿，为矿业大学机械学科发展付出了不懈的努力。希望学校领导给予大力支持，支持机电学院的老师，支持矿大的机械学科的发展，支持机械学科的教育工作。让我们更有能力去回馈矿山、感知矿山、去为那些为中国发展提供资源和生命的矿山人，为矿山安全、高效开采奉献知识和生命