信息技术概论

第1部分 信息技术概论
我们所栖息着的世界,正激扬着新科技革命的滔天巨浪.人类与大自然的搏斗,揭开了波澜壮阔的历史新页.
信息技术,航天技术,核技术,生物工程,海洋工程和新材料,如烂漫山花,令人眼花缭乱.信息科学,材料科学,生命科学,能源科学,系统科学,如雨后春笋,令人应接不暇.
一切都在有力地表明:科学,在突破;观念,在剧变;社会,在发展;人类,在跃进.这一切,也同样明确地宣告,工业化时代已如大江东去,信息化时代已从地平线上冉冉升起.
1883年春天,恩格斯在伦敦海格特公墓悼念马克思的时候,果断地说:"在马克思看来,科学是一种在历史上起推动作用的,革命的力量."马克思和恩格斯都认为,科学本身就是生产力;生产力发展的结果必然引起生产关系的变化,由此推动着社会的发展,人类的进步,改变了大干世界的一切.
邓小平同志继承和发展了马克思主义关于生产力的理论,进一步明确提出:"科学技术是第一生产力."鲜明地阐明了现代科学技术在推动人类社会发展进程中的重要作用.今天,我们在研究信息技术对于经济,社会发展的重要影响时,必须把信息技术放在人类生产力发展的历史长河中去分析和观察,以便正确地去认识信息技术,识别它在当今社会发展中的影响,作用和地位.
第1节 信息技术的本质和内涵
当代人类的生产活动可分为两类.一类是物质资料的生产;另一类是非物质资料的生产,即知识的生产.物质资料的生产是人类社会生存和发展的基础.人们要生活,就必须有食物,衣服,住房等物质生活资料,为此就要从事生产活动.非物质资料的生产,即知识的生产,是人类社会生存和发展的动力.这种生产,使生产力三要素——劳动对象,劳动工具和劳动者本身都发生了质变.它与物质资料的生产相结合,使人们的物质资料的生产过程愈来愈集约化,生产效率达到空前的高度,能耗和材耗达到更合理的状态,生态环境得到极大的改善.
在现代非物质资料生产中引起人们广泛注意和重视的就是信息资源的开发和利用.近年来,正是由于信息技术的发展,特别是以计算机和微电子技术为代表的电子信息技术的发展,在劳动对象方面,由于电子信息技术向其他技术的渗透和结合,产生了如机械电子,航空电子,生物电子等新的技术群和新的产业结构.在生产工具方面,同时并存着大型化,自动化,精密化和小型化,微型化,智能化的发展方向.
在劳动者方面,随着体力劳动比重的减小脑力劳动的比重增加,劳动的性质和内容发生了根本的变化.生产劳动逐步变为科学劳动,社会劳动不断智能化,创造性成分,知识的生产在劳动中的作用逐步上升并成为劳动的主体.人类开始进入所谓信息经济的时代.此时的生产力,使人们不仅可以借助于机械化自动化,使人的体力功能和行动器官(手脚)的功能得到进一步有效的扩展,从而使劳动工具效力,物质资源利用率和产品的品质都得到极大的提高.同时,人们还可充分利用飞速增加的信息生产和流通,使人的信息器官注要是头脑,感觉器官和神经系统)的功能也得到延长.人们将利用信息化和智能化来提高自己的判断,控制和处理问题的能力,这是过去任何一项技术所无法取得的.如果我们从生产力发展的这一角度去看,这是迄今人类历史上经济发展程度最高的一个阶段,即人类开始从工业化进入信息化.当代科学技术发展已经表明.信息化将会带来经济,社会发展的更大,更深的变革.
一,人与信息
为什么说,经济,社会的信息化将引起深刻的变革呢 首先我们要谈谈人与信息的关系.可以说,人生活在信息的汪洋大海中,人类的发展离不开信息,人的生存也离不开信息.如以某人的一天的生活为例,早晨听闹钟响(时间的信息)而起床,边听收音机(信息)边吃早饭,然后去上班,在公共汽车上浏览马路两旁的巨幅广告,在公司里接电话,看文件,·参加会议.下班回家后看电视,听磁带,读书.这些都是从利用信息角度而言.另一方面就是生产与此相对应的信息问题.例如学者,研究人员,教师,作家,广播电台,出版社等,他们都从不同的角度以不同的形式生产信息,企业销售的产品也阳随警各种专门的信息.因此,人与信息有着一种特殊的关系.主要体现在以下几方面;
1.人的生命运动和思维活动离不开信息.人时时刻刻都与外界环境进行物质的,能量的和信息的交换.人对于信息的依赖关系,如同需要空气,阳光,物和水一样.人只有不断从外界环境获得信息才能生存.
2.人认识世界离不开信息的作用.人的信息器官包括感觉器官,传导神经系统,思维器官,效应器官四大类.人们通过对自然界事物所发出的大量信息的收集,形成感性认识,并在此基础上经过大量信息的处理形成概念,通过将概念理性化,系统化,优化形成知识.因此人类的知识来自信息,本身又是经过加工处理的系统化的新信息,信息的联系特性,又不断地将人们的认识引向深入,不断扩大人类的知识领域.
3.信息己成为人类改造世界的有力武器.人们以优化了的信息,如决策,指令,计划,设计来控制人类的生产活动,经济活动和社会活动,人们靠信息的传递来相互联系,影响,竞争,合作,不断扩大人类改造自然的能力.人们在改造世界的过程中,大量使用物质,消耗能量,同时也大量地开发和利用信息,并不断产生出新的信息.
信息是伴随着生命的诞生而开始的.通过感觉器官获取信息,通过传导神经网络传递信息;通过思维器官,处理和再生信息;通过效应器官,使用信息.人的自身信息系统,从古战场的烽火台报警系统到封建社会的驿站传递系统,到当代的电子计算机信息处理系统,全球覆盖的人造卫星通信系统,经历了漫长的道路,显示出了越来越强的功能.人类对信息的认识和利用的不断提高,是人类进步的重要标志.
二,信息及其基本性质
信息是一种资源,是人类智慧的结晶和财富,是社会进步,经济与科技发展的源泉.因此,现代的先进技术,特别是采用电子技术来开发与利用信息是时代的需要,是世界性潮流,是人类社会发展的必然趋势.
信息何以有如此巨大的威力 何以有如此众多的功能,何以能产生如此难以估量的社会经济效益 要弄清楚这样一些问题,首先须懂得信息是什么,它的定义及基本性质.答案可以说是既简单又复杂,既容易又困难.说它简单易懂,是因为信息古已有之,人所共知.《辞源》就收了"信息"这个词,释义是'"消息".我国唐代就曾有:"梦断美人沉信息,目穿长路倚楼台"的词句.说明"信息"这个词,至少在我国唐朝时就出现过.把"信息"解释为"消息",至今还在沿用.时至今日,每个人在工作或日常生活中,几乎天天都与之接触,时时,处处,事事都离不开它.
"信息"英文是information,中文意思是音讯,通讯,消息,通知,情况.我国台湾省译为"资讯".说它复杂难解,是因为信息在语言学,自然科学和哲学不同学科范畴中具有不同的定义与性质.
信息类似空气,常用不觉其有,缺时方知其无,漫漫岁月,人们本能地使用它,迟迟才开始去认识它,进而自觉地利用它.二十世纪40年代,现代的信息概念自信息传递领域开始提出,当时主要从信息的度量入手.现在,信息已是众所周知竞相使用的名词,但对它的理解却千差万别.专家们众说纷纭,一般人不是说不清楚就是人言人殊.但我们认为,信息从其本质来讲,是—种资源,是一种非物质性的资源,它存在于物质运动和事物运行的过程之中,它可以简单地概括为"信息是表达物质运动和事物运动的状态和方式的泛称".
信息有许多特征,它的基本性质主要有以下几点:
1.信息的基本属性:信息来源和存在于物质和事物运动的过程中.它可以表征物质和事物运动的性质特点和参数.也可以用来控制处理物质和事物的运动.
2.信息的非消费性:信息资源是无限的,不论怎样使用它,不会像物品那样能用完.
3.共享性:即信息可同时为众多的使用者所共有.这是信息与一般物质资源的不同之点.转让给他人时,不是全部转移掉,而是自己手中仍保存着.
4.积累效果性:如同数据库似的,越是大量生产和储存,其价值就越高.
5.信用价值性:购置产品和劳务的情况可预先评价其内容,而购置信息不能把它的内容作为价值评价的对象事先进行评价.衡量信息价值的重要标准是信息所用者的信用.
6.信息与能量息息相关:传输信息需要能量,驾驭能量需要信息,充分掌握和控制能量转变的规律和参数,可以大幅度降低能量的消耗和损失.
7.信息虽然似乎非常抽象,却可以被观察者(人以及人造的机器,仪器,生物等)所感知,识别,提取,检测,存储,显示,检索,传递,分析,变换处理和利用.信息是知识的来源,决策的依据,思维的材料,控制的基础和管理的保证.
当然,信息还有其他一些属性,如事实性,滞后性,不完全性,时效性,替代性,扩散性等等.
对于信息有了上面这样一些初步的了解以后,我们就可以考察信息及其技术对于人类的用途和价值.
三,信息技术
信息作为—种资源,它的无限性,共享性和开发性,使它对于人类具有特别重要的意义.日本有个笑话说:"上一次厕所损失一百万美元."什么道理呢 正值日元下跌,美元上涨的时候,接受信息的人上厕所去了一分钟,没有来得及把日元抛出去买成美金,结果一分钟损失一百万美元.因此,开发利用信息资源是人类的一大课题应运而生,出现了信息技术.
信息技术是指开发和利用,采集,传输控制和处理信息的技术手段.以往的信息技术,主要采用传统的机械的手段,如光学望远镜,显微镜,水银温度计,头发湿度计,手摇计算机等,这些手段速度慢,功能差,精度低,体积大,而且无法用数字来显示.因此,信息技术也就不能成为独立的一门科学技术.当代的信息技术,主要是指采用电子技术来采集,传递,控制和处理信息的技术,所以也可称作电子信息技术,即与电子计算机和通信设备的设计制造以及信息的设计,处理,传输,变换,存取有关的技术.从实物形态的有无,可以分为硬技术和软技术.从扩展人的信息器官功能来说,信息技术可以分为;
1.传感技术——信息的采集技术,对应于人的感觉器官.
2.通信技术——信息的传递技术,对应于人的神经系统的功能.
3.计算机技术——信息的处理和存储技术,对应于人的思维器官.
4.控制技术——信息的使用技术,对应于人的执行器官.
因此,我们又把信息技术直接定义为获取,传递,处理,再生和使用信息的技术.为了更清楚地表示信息技术的性质和内涵,我们可以用图1—1关于信息技术概念模型图来表示.
信息技术的发展速度非常迅速.五十年代,信息技术的主要标志是编程计算,六十年代是数据处理,七十年代是计算机网络,八十年代是模式识别,到了九十年代,专家系统和人工智能便成为突出的代表.
随着信息技术的广泛应用和深入发展,已渗透到社会领域的各个方面.计算机是信息处理的工具,通信是信息传播手段,微电子技术是信息技术的基础.集成电路的高集成化,高密度化和高速度化,带来了电子计算机的小型化,微型化,高性能化和价格低廉化.计算机正成为现代化产业的重要支柱,高级计算机技术与先进通信技术相结合,已引起一场世界性的信息革命,信息革命是电子计算机革命的同义语,是由于计算机的发展造成以信息革命为中心的社会变革.计算机与通信的结合正在改变整个通信的面貌,也正由于两者的结合.把信息处理系统与信息传输系统联系在一起.产生了许多神奇的功能,正在改变着今天社会生活的各个方面.日本人所说的"3C","4A"革命,就是指计算技术为主体的信息技术渗透到社会的各个角落.3C指通信(Communication),计算机(Computer)和自动控制(Control),它们英文名称的第一个字母都是"C",3"C"构成强大的和灵活的信息网络,是信息时代的神经中枢.4A指工厂自动化(Factory Automation),农业自动化(Agriculture Automation),办公室自动化(Office Automation)和家庭自动化(Home Automation),简称为FA,AA,OA和HA.
通过控制论,电子计算机与通信技术的结合,现在的信息科学技术正在实现长足的进步,特别是生物化学,分子生物学和计量社会学等学科与信息科学相结合,已成为今天研究超微型基因结构和处理复杂社会问题的有力工具.
信息技术的魅力就在于它恰好构成了社会生产力中全部的现代化生产工具,这可以通过信息技术与社会生产力模型来表示,图l一2中虚线框内的部分正是图1—1中的信息技术.
劳动者通过感到(传感)技术来获得劳动对象的信息(对象的运动状态和方式),通过通信技术把这些信息传递到"指挥中心",在这里,通过计算机——人工智能技术对这些信息进行处理和分析,形成对于劳动对象的规律性的认识和改造劳动对象的策略信息送到控制系统,后考把这些策略信息(通过动力工具)反作用于劳动对象,使之按照劳动者的目的来改变运动状态和运动方式,达到改造劳动对象的目的.因此,整个劳动的过程都是在信息的指挥下,在材料和能量的支持下有目的有智能地完成的.这样,劳动者和劳动对象之间变得更为和谐和亲密,极大地改善了人一机关系和人与自然间的关系,这不但使劳动变得更为自由和有效,而且使劳动考获得了空前的解放.随着信息技术的发展,人类将有可能把大部分劳动的职能转交给机器,而人则从这类简单劳动中解放出来,去从事更富有创造意义的劳动和学习.
四,信息化与社会信息化
信息化是一种社会的经济形态,是指从事获取,传输,处理,提供应用信息的部门,以及其他各部门对信息的应用,在国民经济中的贡献和占用的劳动力等超过了工业,农业等物质资料生产所占的比重.另一方面,信息化又是一个过程,即上述与信息有关的各部门相对信息的应用在国民经济中所占比重不断上升,最终超过工,农业的全过程.
未来学家们曾预言工业化社会将向后工业化杜会即信息社会转换.这一预言正在成为现实,社会信息化正以人们料想不到的范围,规模和速度向前推进.一个世纪以前,不到10%的美国劳动力从事信息工作,现在已超过60%.从事产品制造,矿物开采和农林种植的,已不到劳动力总数功1/4,其余的人干的都是通常称为"服务业"的工作,其中又有2/3是信息工作人员.日本以及欧洲经济合作与发展组织的几个成员国从事情息处理的劳动力已占本国劳动力总数的2/3,自第二次世界大战以来,信息工作者在劳动力总数中的比例,每五年增长2.8%.
信息技术的发展,为社会信息化提供了强有力的手段,社会信息化以电子计算机,通信,软件为三大技术要素,以工厂自动化,办公室自动化,农业自动化,家庭自动化为重要应用领域,正深刻地改变着社会面貌.
信息同物质,能量一祥是人类生存和发展所不可缺少的宝贵资源,并与物质,能源一起,成为现代科学技术的三大支柱:物质向人类提供材料,能量向人类提供动力,而信息奉献给人类的,则是知识和智慧.美国有个科学家写了一首诗,非常生动.他说:
没有物质的世界是虚无的世界
没有能源的世界是死寂的世界
没有信息的世界是混乱的世界
信息技术正以空前的速度向前发展着
前面已经讲过,信息技术可以用不同的工程技术手段来实现.如机械的,电子的,但它们的工作性能却大不相同.如机械计算机和电子计算机的功能都是处理信息(计算是处理信息的一种具体方式),但电子计算机的工作性能却远不是机械计算机所能比拟的.当前实现信息技术的主要工程技术手段是电子技术,其主体是计算机和各种通信技术,其核心则是以大规模集成电路为代表的微电子技术.但其他实现信息技术的手段也正迅速发展,如激光技术,超导技术和生物技术等等,发展前景未可限量.随着技术的进步,信息技术的实现手段将逐步向激光技术,生物技术转化,从而形成激光信息技术,生物信息技术这样一些不同的信息技术分支,但决定今天经济社会发展的信息技术主要是电子信息技术.
第2部分 材料与装备
一部由石器时代开始的人类文明史,从某种意义上说,也可称之为世界材料发展史.材料发展史迸发着人类智慧的火花.电子材料是材料领域中的精华,它既普通又深奥.说"普通",是因为它与每—个人的衣食住行息息相关;说"深奥",是因为它包含着许多让人充满希望又颇具困惑的难解之谜,不断地吸引入们去追求,去探索.在信息时代,电子材料是信息装备的基石;在未来高技术战争中,电子材料是现代化电子装备系统的基础和先导,也是实现我国国防科技现代化的重要前提和保证.21世纪的电子材料将更加异彩纷呈,前景广阔.
第1节 电子材料家族成员及其特性
1.1庞大的材料家族
—,电子材料的含义
材料是人类赖以生存和发展的物质基础,它是指能制成用于生活和生产的物品,器件,构件,机器和其它产品的那些物质.材料是物质,但不是所有物质都可以称为材料,如食品,药物和设备仪器等,它们是物质,但一般都不算是材料.电子材料是指电子工业所使用的具有功能特性,结构特性以及物理,化学性能等特定要求的材料,它广泛应用于国民经济和现代化国防建设两大领域.在未来电子战争中,能满足飞机,舰艇,潜艇和导弹等导航与制导系统,飞机,卫星,雷达等侦察,预警系统,军事通信和指挥控制系统,舰艇,潜艇水下探测和战场测距系统,以及电子对抗,火控系统等电子装备系统要求的新型电子材料称为军用电子材料,它是电子材料的重要组成部分.多数军用电子材料都具有军民两用性质,与普通电子材料相比,它是具有直接的或潜在的,未来的军事需求背景的新型电子材料.它的研制对我国国防科技和军事电子的发展具有举足轻重的作用.
电子材料是一个庞大的家族,门类繁多,品种复杂,在分类方法上至今尚没有一个统一的标准.常见的分类方法是把它们分为功能材料和结构材料两大类.
功能材料的概念最初是由美国贝尔实验室的摩顿(Morton)博士在1965年提出来的,后来受到世界材料界的重视.在我国《辞海》中,把功能解释为"事功和能力;功效;作用".根据功能材料的性能特征和用途,把功能材料定义为;具有优良的电学,磁学,光学,声学,力学,化学和生物功能及其互相转化的功能,被用于非结构目的之高技术材料.它犹如人体的"五官"和神经系统,能对周围环境(如温度,压力,湿度,气体等)的变化及时作出反应.功能材料以材质分类,可分为无机功能材料,有机功能材料和复合功能材料三大类,如表1.1所列;以功能分类,可分为磁功能材料,电功能材料,光功能材料,热功能材料,力功能材料和化学功能材料,如表1.2所列.
表1.1 功能材料(按材质)分类 表1.2 功能材料(按功能)分类
结构材料的定义是:用于制造力能机械或机械动力或结构件的材料.从这个定义不难看出,它是以材料的强度,刚度,韧性等力学性能为基础,用于制造以受力为主的构件.好像人体的骨骼,用来承受肌体和重量.它是实现军事电子装备的轻型化,耐腐蚀,长寿命的重要保证.这些材料主要有合金材料,特种陶瓷,新型塑料和复合材料等,如:用于雷达,通信,导航等设备的天线和支架的钛合金,铝合金;导弹,电动鱼雷,飞行器所用电池的镁基,多孔镍基电极合金材料;反导雷达,机载火控雷达所用真空电子器件的钯-钡合金,钨-铼合全;军用超高速计算机中,用于"包装"超高速集成电路芯片的陶瓷和塑料(称为封装材料);对野战,海底光缆起"骨架",增强"筋"作用的特种塑料和钢丝;用于机载火控雷达裂缝天线,透镜天线的碳纤维复合材料和芳纶纤维复合材料等.在人类社会进入信息时代的今天,新型电子材料层出不穷,呈现出百花齐放的喜人形势.
本部分将以功能材料为主体,重点介绍半导体材料,光电子材料,压电与声光晶体材料,磁性材料,电子陶瓷材料,真空电子器件用材料,纳米材料以及电子材料的基本概念,分类与应用等.
1.2 引人注目的特性
半个世纪以来,众多研究人员走出传统的思维定势,勇于探索,楔而不舍,使—代又一代充满生机的新材料如雨后春笋,脱颖而出.电子材料是它们之中的佼佼者,它们具有以下几个特点.
一,材料王国里的新秀
材料的历史和人类社会的历史同样悠久.新石器时代距今已有1万年.中国在公元前17世纪初即进入青铜器时代的鼎盛时期.铁器时代距今已有3500多年的历史.在材料世界里,以金属王国地盘最大,历史最久.翻开元素周期表,在人类已经发现的109种元素中,和金字"沾边"的竟多达86种,真可谓"五分天下有其四".但是,进入20世纪以来,由于金属材料在性能和应用方面所存在的局限,使其"统治地位"受到了严重的挑战.20世纪是旷古以来材料发展史中流光溢彩的辉煌历史时期.社会进步及军事电子技术发展的迫切需要,使人们意识到:未雨绸缪的时候到了.于是一大批新型电子材料应运而生,例如;1910年蒂埃尔(Thiel)等报道了磷化铟(InP)材料;1950年,用直拉(CZ)法制备出第一颗锗(Ge)单晶;1952年,制备出第一颗硅(Si)单晶;1954年,用区熔(FZ)法,水平(HB)法制备出砷化嫁(GaAs)单晶;1965年,耐特〔Knight)首次用气相外延(vPE)法成功地制备了砷化嫁(GaAs)单晶薄膜;1960年,第一台红宝石激光器问世;1970年,美国康宁公司首次研制成功低损耗光纤;1946年,发现钛酸钡(BaTiO3)陶瓷经极化处理后具有压电效应;1954年,发现了压电性能远比BaTiO3优良的锆钛酸铅(PbZrTiO3),推动了压电陶瓷的广泛应用;1967年,皮诺(Pinnow)等人首次报道了优质声光晶体钼酸铅(PbMoO4)单晶的熔体生长.从新材料家族中涌现出来的新秀,不但为材料王国的兴盛带来了曙光,也为新一代军事电子装备的发展带来了希望.
二,巧妙奇特的功能
电子材料具有许多奥妙的特性,人们一且运用高科技手段揭开它神秘的面纱,展现在人们面前的将是一个变化万千,多姿多彩的世界.
用化合物半导体材料砷化嫁(GaAs),氮化镓(GaN)制作的发光二极管(LED))可分别发出红,黄和蓝光.用钇铝石榴石(YAG)晶体制成的激光器所发出的激光,可熔化金属,穿透薄金属板,用于打孔,切割,焊接,划线和雕刻;功率不到普通照明灯泡功率万分之一(1mW)的激光,其亮度为太阳光的100倍.液晶是—种具有"液体"和"晶体"双重物质形态的特殊有机物,在加热融化过程中经历了一个不透明的混浊状态,继续加热成为透明的液体,这种混浊状态的液体具有液体的流动性,同时它又具有晶体的各向异性(如光学各向异性,介电各向异性,介磁各向异性等),故称为液晶.在一根头发丝般粗细的硅芯片面积上可制出成百上千个晶体管.用热释电材料制作的传感器配上适当光学系统,能探测到100m处的人体,用于入侵报警.用锆钛酸铅压电陶瓷做成的打火机用的"火石","打火"次数可达100万次以上.磁铁早已是人们所熟知的常见之物,但是,如果把某些磁性材料置于电磁场的作用下,将产生诸如磁光,磁热,磁吸收,磁弹性,磁致伸缩等多种物理效应和具有电,声,温度,位移,振动等多种能量和信息转换的奇异功能.陶瓷是人类社会文明进步的产物和特征之一,秦始皇陵出土的大批陶兵马涌,制作之逼真,气派之宏伟,被认为是世界奇迹.具有电磁,电声,电光,电热,电弹耦合效应的电子陶瓷登上人类文明舞台,意味着陶瓷材料己进入一个新的时代.人脑有130亿个细胞,人们所记忆的图像,文章,数字等一切信息,全靠它们存储,促是人的记忆功能会随着年龄的增长或者体质,外界条件的变化而逐渐减退,于是可代替人脑记忆功能的电脑,"光脑"相继登台亮相."光脑"的记忆"细胞"就汇聚在用钆钴(GdCo)合金等存储材料制作的光盘或光卡上,一个菜碟大小的光盘能容纳相当于一个小型图书馆的信息量,一张扑克牌大小的光卡可储存近百万字巨著,储存期可达10年以上.在阳光照射下的物体都会呈现出不同的颜色,如果把它分割成犹如袅袅轻烟中飘浮的颗粒那样大小,将会出现什么景象 科学家们发现,当物质被分割到它的极限尺寸——10-9m(1nm,或称1纳米)的时候,就会出现—些鲜为人知的奇异现象:1g具有这种尺寸的微粒,它的表面积可高达几万平方米;由于表面积增大,活性就会增强,很容易引起燃烧和爆炸;当把五颜六色的金属分割成纳米级超微细粉末时,由于吸光能力急剧增加而—律变成黑体,它再也不能熠熠生辉了.但是这些超微粒子的奇妙效能并没有因此而减色.把本来不发光的纯氧化铝(Al2O3)和纯三氧化二铁(Fe2O3)纳米材料混合在一起,所获得的纳米粉体或细晶材料在蓝绿光波段出现一个较宽的光致发光带.在素以坚硬耐磨著称的结构陶瓷中加入纳米粒子会出现令人惊奇的超塑现象,延伸率可提高两倍,使它变得温顺,随和了.古代传说中的隐形人,在与对手争斗中忽隐忽现,来无影去无踪.如果说这种隐形术或隐形人是来自于神话般的传说,那么隐身材料的出现已使幻想变成了现实.这是因为探测技术所获取的人或各种武器等目标信息,实质上是具有不同波长和不向强度的波,而隐身材料却能吸收或减弱对方探测系统的回波能量,使这些目标的反射波偏离对方的探测范围,从而产生奇特的隐身效果,如果士兵穿上涂有隐身涂料的隐身服或将隐身罩覆盖在飞机,车辆等装备上,使对方即使采用先进的仪器也难以扑捉到这些目标.美国的F-117A隐形战斗轰炸机在海湾战争中承担最艰险的任务,但始终无—损伤,其主要原因是在机身和机翼等部位使用了隐身材料(如铁氧体吸波涂层)和改变飞机的外形与结构,增加了对电磁波的吸收和散射,使雷达难以发现它.上述的奇异功能给人们以启示,这些材料正在显露出或潜伏着诱人的军用前景.当然,迄今为止,对某些"巧妙神奇"现象产生的原因,不乏有令人困惑的难解之迷,有待人们今后去深入探索.
三,多学科理论的结晶
材料科学具有物理学,化学,冶金学,机械学,计算数学等多学科交叉与结合的特点,属于高科技领域的电子材料技术也是多学科理论研究与实践的结晶,它的重要特征之一是学科的横向渗透,纵向加深,合纵连横,综合交错,它所涉及的学科和理论主要有:微电子学,光学,磁学,电磁学,磁光学,陶瓷学,材料力学,固体物理学以及晶体结构理论,量子理论,能带理论,超晶格理论等.科研人员依据这些学科,理论开展对电子材料的研制,物理和化学性能表征以及对其产生的某些奇异现象作出科学的解释.例如:半导体晶体,激光晶体利红外晶体等晶体生长要涉及晶体生长效力学和晶体生长动力学;晶体的稳定性,完整性,对称性,解理性和各向异性要涉及晶体结构理论;材料的应力,应变,疲劳,断裂等性能涉及材料力学;磁性材料的磁各向异性,磁畴结构,强磁性,反铁磁性,磁化强度,磁致伸缩等性能要涉及磁学和电磁学;光纤材料的折射,反射,散射,色散等性能要涉及光学.超薄膜制备技术,固体能带结构的量子力学理论和材料设计理论相结合而出现的半导体超晶格材料,是20多年来半导体物理学和材料科学中的一个重大突破.利用这种材料,不仅可以显著提高雷达用场效应晶体管(FET)和光纤通信用半导体激光器等的性能,也可以制备至今还没有的,功能更优异的新型军用元器件和发现更多的新物理现象.
四,当代高技术的热点
技术的生命力在于应用,故有人把技术科学称之为应用科学.军事应用为电子材料技术注入了巨大活力,使该技术从传统的"低,粗,陋"跃升到现代化的"高,精,尖",并成为当代高技术的热点,突出地表现在以下两个方面.
1.要求原材料和辅助材料达到"三高"
用于制造电子材料的原材料和辅助材料主要有金属,化合物,石英玻璃及有机高分子和聚合物.要求它们要达到"高纯,高细,高效".所谓"高纯",即杂质的含量要尽可能低,诸如高纯试剂,高纯气体,高纯水,高纯金属及高纯元素等.用于制备GaAs晶体的原料Ga和As,制备InP晶体所用的原材料In和P,均需要达到6个"9"(6N)以上的纯度.拉制GaAs晶体生长设备中用于形成"高压"的气体要求使用5N以上的高纯氩(Ar)气.所谓"高细",即制备某些材料时,要求使用超微细粉末,超微粒子等,例如,在制作Fe-Co(铁—钴)微粉永磁时,所使用的Fe-Co微粉粒度要达到纳米级(10-9m);在制备磁记录与磁存储材料——包钴的γ-Fe2O3磁粉时,要采用γ-Fe2O3超微粒,在其上面包敷一层氧化钴,使矫顽力高达143.2千安培/米(kA/m).所谓"高效",即在制作材料时要优先选择能有效提高材料性能的原材料,例如,在制备GaAs单晶时选用热解氮化硼(P-BN)坩埚来代替石英(SiO2)坩埚,因为前者不但纯度高,能避免Si对GaAs熔体的污染,而且耐高温,使其不易软化;在镍锌(NiZn)铁氧体生产过程中,选用高温时最稳定的氧化物——氧化镍(NiO),故可在空气或氧气中烧结,简化了生产工艺.
2.采用高级制造技术
作为高技术领域重要组成部分的电子材料技术是由原材料提纯,材料的制备与加工,材料的分析检测等一系列技术组合而成的技术群体.往往是一代制造技术产生一代材料.
古代用炼丹炉升炼"丹药",据说,"丹"字就是从炼丹炉的形象演变而来,这种俗称"银朱"的"丹药"是硫化汞(HgS)的颗粒或粉末,这些历史的产物最终还是回归于历史.波澜壮阔的科技浪潮把材料的制备,加工推向一个崭新的境界.有时是在高压,超低温和超高真空中等条件下合成新材料.例如,在采用高压原位合成的液封直拉(HP—LEC)法生长GaAs单晶时,要在充氩气的高压炉膛内,在38kPa压力下使Ga,As原料在P—BN坩埚内原位合成GaAs多晶,在15kPa压力下拉制GaAs单晶;用称重法对晶体进行精确地等径控制,如拉制Φ50mm的GaAs单晶时,其直径偏差可控制在+1mm.传统的半导体薄膜生长技术(如液相外延,气相外延等)的层厚度控制精度只能达到0.1~0.2μm,采用微机控制生长的分子束外延(MBE),金属有机化合物气相沉积(MOCVD)和化学柬外延等超薄层材料生长技术,能达到使生长层厚度误差控制在一个原子层以内的高精度水平,并且人们可以任意改变薄膜的厚度,控制它的周期长度.由于它的周期长度比各薄膜单晶的晶格常数大几倍或更长,因而取得"超晶格"的名称.超晶格的概念与先进的材料生长技术相结合孕育了半导体微结构材料,它将成为制作新型器件用材料的增长点,现已制备出上百层,厚度小于1nm的超晶格材料.1976年发现的调制掺杂结构的超晶格中电子迁移率很高的现象,为雷达用的高电子迁移率晶体管(HEMT)的研制奠定了基础.
1.3 走向未来的电子材料
冷战结束后世界局势趋于缓和,和平与发展已成为世界潮流的主旋律,但局部战争却一直没有停止过,世界并不平静.海湾战争后,电子战的威力震撼了世界,各国政府相继作出反应,不惜花费巨资研制先进的军事电子武器装备,从而推动电子材料技术迅速发展.
1.3.1抢占"制高点"
鉴于电子材料对世界各国争夺军事电子技术优势,增强军事实力的重要作用,各国都将该材料研究开发置于特殊地位,竞相制定发展规划,采取各种措施,力争抢占新材料技术"制高点".如美国国防部于1991年所提出的20项关键技术中,有5项以材料为主,在其它项目中有2/3都与材料有关.在海湾战争后仅三个星期,美国白宫发布了美国国家关键技术项目,共6个关键技术领域22个关键技术项目,而新材料技术位居6个关键技术领域之首,并把材料合成与加工,电子和光电子材料,陶瓷等5项列入关键技术之中.日本把发展新材料作为"技术立国"的基础,并把新材料的发展放在与微电子技术同等重要的地位.在公元2000年以前,日本将以高性能陶瓷,用于苛刻环境中的高性能材料,非线性光电子材料和超导材料等为重点.欧美各国对HgCdTe材料的投资仅次于Si和GaAs.
由于世界各国都竞相把当代最先进的科学技术用于新型电子材料的研究开发,使该材料出现了日新月异的变化,新原理,新效应,新工艺和新材料不断涌现,技术水平不断提高.在功能晶体材料方面,采用先进的高压原位合成液封直拉法生长的Φ100mm的的半绝缘GaAs单晶(SI—GaAs)和Φ75mm的InP单晶已达到实用化;Φ(50~75)180mm的Nd:YAG激光晶体已商品化;用Φ50mm的PbMoO4单晶研制出抗紫外操作的声光(AO)器件.在电子陶瓷材料方面,用高压介质瓷料已制作出耐压10kV的多层陶瓷电容器;钛酸锶(SrTiO3)多功能压敏电阻已实用化.在磁性材料方面.铁氧体材料巳广泛用于被誉为现代雷达之星的相控阵雷达的移相器,环行器,隔离器和旋磁振荡器等.纳米材料的研究已经不是仅局限在只有科学意义,而是具有与经济和社会发展紧密联系的国际高科技竞争的"桥头堡"之一.
我国把电子材料的研究开发一直放在重要位置,形成了一支实力雄厚的研究队伍,为国防工业和国民经济的发展做出了重要贡献.十多年来,我国电子材料的发展取得了长足的进步,半导体材料和光电子材料在研究水平和应用方面取得很大进展.许多压电与声光晶体材料已能批量生产并满足军用元器件的需要.永磁材料,软磁材料和旋磁材料分别在军用永磁电机,电源变压器磁芯和移相器等获得广泛应用.介质陶瓷,传感陶瓷和结构陶瓷在关键技术方面均有重要突破,有些已达到或优于目前国外同类产品水平.纳米材料和真空电子器件用材料的研制亦取得显著成绩.上述材料为发展我国新一代电子武器装备起到了重要作用.
除本部分所阐述的材料之外,国内外在军用金属材料,先进复合材料,有机材料及生物电子材料等的研制开发方面也取得了很大进展.
1.3.2踏上新的征程
在未来的高技术战争中,军事电子装备将呈现以下发展趋势:小型化,电磁频谱扩展化,高速度,高精度,高可靠性和生存性,全天候以及智能化.未来战争中,先进的指挥控制系统,情报侦察系统,预警探测系统,通信系统和电子对抗系统以及作为我国国民经济新的增长点的电子信息产业对电子材料的需求,不但为电子材料的发展提供了广阔的空间,而且促使它们雄姿勃勃地踏上新的征程.电子材料的发展趋势如下.
一,晶体大尺寸化
当晶体尺寸加大,长度增加时,可提高芯片等产品的产出率,降低成本.如目前硅单晶以Φ(125~200)mm为主,今后将开发制造下一代计算机芯片用Φ400mm的硅单晶.硅片直径越大,其芯片的理论产出率(芯片/硅片)越高.如在制作动态存储器(DRAM)时,采用Φ200mm的硅片,其芯片的理论产出率比采用Φ125mm硅片约高3倍.
二,晶体结构完美化
晶体结构完美化是指晶体做到高纯,高完整性,高均匀性.硅单晶(片)的缺陷,杂质和几何精度是影响其质量的主要因素,其平均缺陷密度(D)与集成电路成品率(Y)的关系为:Y=e-DA,其中A为管芯面积.从关系式可以看出,D值越大,Y值越小.而杂质或者淀积在缺陷上,或诱导产生缺陷,或降低少数载流子寿命,这些都会导致集成电路劣化或失效.
三,多功能化
人们日常生活中所用的电视机,录音机,洗农机等家电产品,不但要求它们外形美观,坚固耐用,而且希望功能齐全.电子材料在实际应用时,人们也是希望它们的功能越多越好.军事电子装备要求材料具备两种或两种以上功能,如光电,压电,磁光,声光,耐高温/抗辐射等.电子材料将由单一功能向多功能方向发展.
四,复合化
人类在远古时代就从实践中认识到,可根据需要来组合两种或多种材料,利用性能优势互补制成原始的复合材料.如2000多年前用于车战的长达3m多的戈戟,用木芯外包纵向竹丝,以漆作胶粘剂,丝线缠绕作增强体;寒光夺目,锋利无比的越王剑,经签定后发现,它不是由单一的锡青铜铸成,而是含不同金属成分的复合材料制品.随着科学技术的发展,某些单组分功能材料(硅,锗)今后可能达到它们的使用极限,因而在材料研制方面需要另辟新径.把两种或多种材料,组分结合在一起制成的复合材料,会使其性能优于单一材料并能呈现新的功能.这种材料主要有树脂基,金属基,陶瓷基复合材料,铁磁-铁电材料,铁磁-透明材料等.复合材料由分散相和基质相组成,如果分散相的尺寸达到纳米级,则形成纳米复合材料.微复合材料将向纳米复合材料发展.
五,低维化
人们按通常习惯所称谓的材料,是指在空间向x,y,z三个方向均延展到一定宏观尺度的三绝固体.若使材料在任一维度(设为z方向)的尺寸缩小到纳米量级,则此材料成为在x,y方向延展的二维材料.若材料同时在z,y方向缩小到纳米量级的尺度,即为一维材料,也称为量子线材料.若使材料从x,y,z三个方向缩小到纳米量级,便成了零维材料,也称为量子点材料.所谓低维材料,是指维数低于三维(二维,一维,零维)的材料.科学家们发现,当材料(超微粒或超薄膜)的特征尺寸小到纳米量级时,量子效应十分显著,使其失去作为三维宏观状态物质所具有的特性,低维材料具有继物质的晶态,非晶态结构之后的一种新的物质结构形态——纳米态结构.低维材料的特征尺寸为1~100nm,电子材料将向低维化方向发展.许多重要的发现,往往都是从"偶然"开始的.这种新的物质结构形态,是一位从事晶体物理研究的德国科学家,一次驱车在浩瀚无际的大沙漠旅行中构想出来的.空旷,寂寞的大自然环境,使他的思维十分活跃,从而萌发出一个大胆的设想:把晶体中的空位,间隙原子等晶体缺陷作为晶体材料的主体,而不是像常规那样.把完整的空间点阵的晶体作为晶体材料的主体;从逆方向思考出来的问题,形成了对物质新态的构思.几年后,研制出具有纳米尺寸的黑色金属超微细粉末,纳米材料就这样诞生了,继而涌现出举世瞩目的半导体超晶格材料.用它们制作的微波器件和光电器件,广泛用于雷达,红外成像制导,卫星遥感等军事电子装备.纳米磁性材料,纳米电子陶瓷材料以及硅基纳米发光材料,纳米碳管材料,纳米巴基球材料((C60)等纳米材料的出现,是现代电子技术中的—项重要变革,标志着微电子技术从微米技术进入纳米技术,微电子学向纳米电子学发展.材料科学的发展力向决定了材料设计的发展方向.材料科学将发展成为材料系统工程科学.随着MBE,MOCVD等技术日臻成熟,能以全新的概念改变器件的设计思想,使半导体器件的设计与制造由原来的"掺杂工程",向能对材料的电学和光学特性人为地施以剪裁的"能带工程"方向发展.纳米材料技术的目标是人类复接操纵单个原子制作具有特定功能的产品.这样,人类将迎来一个崭新的高技术领域,并将对下一世纪军事电子装备微小型化起重要作用.
六,智能化
人们习惯上常常把"智能"与生命现象联系在一起,自然生物体材料为人类材料研究带来很大启示.骨骼的重要功能之一就是在微观结构上适应环境的变化,例如,它可以在保证骨架动态平衡条件下,抵抗载荷,恢复和再生骨路.动物或人的皮肤是智能生物材料的典型,它是可弯曲变形,自修复的复杂层状组织,它含有传感神经,因北具有防水,阻止细菌侵入体内,帮助调节体温等功能.随着科学技术的不断进步,人们可以模仿人体的生物材料来开展智能材料研究.目前,关于智能材料的定义并不一致,有人认为,如果多功能材料具有生命形式所持有的智能,则把这类材料称之为智能材料(Intelligent Materials).由于智能材料具有对信号感受,信号传递与加工和对信号做出适当反应等功能而受到人们的重视.普通的功能材料可以判断环境(如电场,磁场,温度和压力等),但不能顺应环境.智能材料不但可以判断环境,而且可以顺应环境的变化进行自己内部诊断,修复和预告寿命等.智能材料主要有金属系智能材料,无机非金属系智能材料和高分子智能材料.智能蒙皮和智能结构是近年来发展起来的尖端技术,并成为智能材料研究中最活跃的领域.光纤智能结构和蒙皮受到各国军界的高度重视,该技术是把传感器,人工神经网络和执行器埋在飞机,火箭,坦克,潜艇,空间站等构件和外壳内,使其感知在使用的动态环境中所受的应力,变形,温度分布和载荷大小等,材料本身具有自动传输,自诊断,自修复等功能.光纤材料是信息传感及传输的理想载体.
各类材料在发展趋势上又都有其各自的特点.激光晶体向大尺寸,高功率,低阈值,连续宽带可调方向发展;HgCdTe红外焦平面探测器材料向大面积,均匀,高性能方向发展;声表面波和体声波晶体向高耦合,低声损耗,高温度稳定性方向发展;声光晶体向高折射,大光弹性系数,宽透光范围,低声速和低声损耗方向发展;多层陶瓷电容器用电子陶瓷材料向高频热稳定,低频高介,高比容方向发展;稀土木磁材料向高矫顽力,高剩磁能积方向发展;铁氧体软磁材料向高频,高磁导率,低损耗方向发展;真空电子器件用材料向高真空气密性,高热导率和良好的加工性能方向发展;隐身材料的发展趋势是展宽有效频带,发展能同时抑制雷达波,红外和激光信号的多功能超宽频隐身材料,吸收涂层材料将向"薄,轻,宽"方向发展.
电子材料的发展和突破,不断地把人类文明推向更高的层次.21世纪电子信息技术舞台,将是电子材料技术的春天.
第2节 半导体
这一类物质,它们在某些情形下具有导体的性质,这些材料我们称它为半导体.半导体是一个新的边缘科学,它是由导体和绝缘体的概念相互延伸相互渗透而发展起来的.
通常按导电能力来划分材料,半导体的电导率一般在105~10-8(Ω·cm)-1,介于金属和绝缘体之间.习惯地用电导率的倒数10-5~108Ω·cm,即电阻率的数值来表征半导体.电阻率越小,导电能力越大;电阻率越大,导电能力越小.随着半导体材料科学的发展,又不能完全严格按照上述电阻率范围来定义了,半导体材料已扩展到半金属与半绝缘的范围,但它们的导电过程仍然保持半导体性质.
2.1 半导体材料的特性
1.一般半导体材料的电导率随温度的升高迅速地增大
这反映了半导体中导电是靠电子(或空穴)由施主(或受主)热激发至导带(或价带),或者是靠电子由价带热激发至导带.后者往往称为本征激发("本征"是指它决定于半导体材料本身固有性质).一般在较低温度下,杂质激发是主要的;在较高的温度下,本征激发是主要的.在不同温度下电学特性随温度变化也是不同的.
利用半导体电导率随温度迅速变化的特点,开发了具有广泛用途的各种热敏电阻,它们作为测温计和热敏传感器具有灵敏度高,体积小,反应快和可以远距离测量等优点.
2光照可以引起半导体电学性质的变化
这是半导体最早被发现的特性,其中最简单,最普通的是光电导现象,即光的照射能使半导体的电导明显地增加.
利用光电导现象开发出各种类型的光敏电阻,灵敏度高的光敏电阻可作光自动控制元件.CdS,InSb等可用于制作红外光探测元件,许多化合物半导体材料可用于制作光电子器件,如制作发光二极管.
3一些半导体具有比金属强得多的温差效应
利用它可制作半导体致冷器和汽车用方便的电冰箱等.
4.杂质对半导体性质有着决定性的作用
杂质在很大范围内改变了半导体材料的性质,使半导体特性多样化,使电子导电和空穴导电的材料相互接触形成PN结,它具有单向导电的整流效应,直接可用于半导体整流器.通过PN结结构可制作各种二极管和三极管.晶体三极管就具有各种电子信号的放大作用,它们用于放大器,振荡器,开关电路等无线电电路中.我们用的小型,方便的半导体收音机就是在这些主要部件基础上组装起来的.当PN结通过正向电流时,还会高效率地发出可见光,可制作不同颜色的发光二极管(LED)和激光二极管(LD).
5.可制作集成电路
随着电子器件制造工艺的发展,人们更有效地掌握了硅,砷化镓器件工艺,尤其是在硅平面技术和薄膜技术基础上,利用半导体基片(或陶瓷基片),可通过若干技术,实现二极管,晶体管,电阻,电容等元件全部制作在一个芯片上,它不再是单个元件,单个电路,而是单元电路,以及功能日趋复杂的各种规模的集成电路.
由半导体的基本性质可产生出许多物理效应,如晶体管效应,场效应,隧道效应,雪崩效应,负阻效应,压电效应,压阻效应,可变电抗效应,电致发光效应,激光效应及电磁场效应等,从而获得多种多样的用途.
2.2 半导体材料的分类
通常我们把半导体材料分为如下几种:元素半导体,化合物半导体,固溶体半导体,非晶半导体,有机半导体,还有人工设计制造的超晶格半导体材料.
一,元素半导体材料
由单一元素构成的半导体材料称为元素半导体材料.很多元素都具有半导体特性,如III族的硼,IV族的碳(金刚石),硅,锗,灰锡,V族的硫,硒,碲和卤素的碘.
二,无机化合物半导体材料
这类材料是指具有半导体性质的无机化合物,如II—VI族的CdS,CdSe,ZnS,ZnSc,III—V族的GaAs,InP,GaP,InSb.IV—IV族的SiC,三元化合物I—III—VI2及II—IV—V2族的CuAlS2,ZnSiP2等.
三,固溶体半导体材料
通常把具有半导体性质的固态溶体称为固溶体半导体材料.这类材料的特点是其性质随成分不同而变化,利用这一特点可得到性质更为多样的半导体材料以满足不同的应用要求.这些材料主要有:元素之间的固溶体Ge—Si材料,III—V族固溶体(Ga1-xAlx),II—VI族固溶体HgxCd1-xTe,Pb(Se1-xTex)及其它一些固溶体材料.
四,非晶态半导体材料
这类材料是指原子排列短程有序,长程无序的半导体材料,又称为无定形半导体材料,如α—Si,α—Ge,α—GaAs,α—SiC等,一般呈薄膜形态.
五,有机半导体材料
这类材料是指具有半导体性质的碳—碳双键有机化合物(电导率为10-10~102(Ω·cm)-1),它包括未掺杂的高共轭高分子材料和用碘或碱金属掺杂的电荷转移高分子材料.
六,超晶格微结构半导体材料
它是指按所需特性设计的能带结构,用分子束外延(MBE)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)等超薄层生产技术制备出来的具有各种特异性能的超薄多层结构材料.在这种材料中,载流子运动的维度会从普通的三维减少到二维,一维甚至零维的运动,从而出现一系列新的物理特性并开发了新一代半导体技术.超晶格有组分超晶格和应变层超晶格等类型.
第3节 光电子材料
光电子材料是应用于光电子技术的材料的总称,是指具有光子和电子的产生,转换和传输功能的材料.
光电子材料是光电子技术的先导与基础,光电子材料的研制与发展,对光电子技术起推动与促进作用.光电子技术主要应用于信息科学技术和工程中,其在工业,国防,科学技术等领域发挥越来越重要的作用.
光电子材料品种类别很多,通常以在光电子系统中所起的功能作用来分类,一种材料可能有多种功能而隶属于多种光电子材料.常用的光电子材料有以下几类.
一,激光材料
60年代初激光的出现,促进了光电子技术的形成和发展.光电子技术是光学,电子技术与激光技术的结合,激光技术是光电子技术的核心组成部分,为光电子技术提供了高亮度,高单色性,高方向性的相干光源.激光材料是激光器的工作物质,是光电子材料中的重要一类.激光材料主要指能产生激光的凝聚态介质,包括无机晶体和坡璃,半导体材料,有机染料等.由于激励机制不同,激光工作波长和应用范围不同,有很多种激光材料.
二,光电探测器材料
这是一类具有光—电和电—光转换功能的材料.光电探测器的功能有两种:一种是利用材料的光电特性,将光的信号转变为电的信号,然后进行放大,检测利处理;另一种是使光信号通过吸收转换成热能,然后通过热电,热释电或光电化学反应等方式再转换成电信号而实现探测.光电探测器以电磁波谱中的紫外线,可见光,红外线为其工作波段,所用材料有III—V族,II—VI族,IV—VI族,IV—IV族化合物半导体材料,硅元素半导体材料以及热释电材料等.材料形态有单晶和薄膜.光电探测器材料按探测器工作方式和探测机理可分为光电导型探测器材料,光生伏打型探测器材料,热释电探测器材料和量子阱探测器材料.
三,光学功能材料
这是一类在外场(力,声,热,电,磁和光)作用下.光学性质产生变化,从而具有光的开关,调制,隔离,偏振,变频等功能的材料.按效应与光的强度分类,通常把该材料分为线性光学功能材料和非线性光学功能材料.而非线性光学功能材料按非线性效应的阶次可分为二次.三次和更高次的非线性光学材料.按材料的应用效应来分类,可分为激光频率转换材料,光折变材料,电光材料,声光材料,磁光材料等.光学功能材料主要用于激光频率转换,改善激光器的脉宽,模式和多种光学信息处理等方面.
四,光纤材料
光纤材料是使光以波导方式传输的纤维状光学介质材料.最先实用化的光纤是多组分硅酸盐玻璃光纤,它采用棒管复合法拉制而成.光纤的发展和大量使用始于20世纪70年代,80年代单模光纤的出现则使长距离光线通信进入实用化阶段.光纤种类繁多,按化学组成分为石英玻璃光纤,卤化物光纤,硫系玻璃光纤和塑料光纤;按晶体结构则分为单晶光纤和多晶光纤;按应用可分为通信光纤和功能光纤.通信是光纤最主要的应用领域,通信光纤已形成产业.功能光纤又分为传感光纤,传光光纤和激光光纤.传感光纤主要用于制作光纤传感器;传光光纤主要用于光电信号控制和激光传输,已在输变电工业电网上,激光加工,激光医疗等设备上获得应用;激光光纤为掺杂的光纤,主要用于光纤激光器和光纤放大器.
五,光电显示材料
光电显示材料包括各种类型的液晶显示材料,应用于显示器的电致发光和阴极射线发光材料等.用作信息显示的液晶材料经过十多年的研究,取得了飞跃的发展,液晶显示已成为平板显示中应用最广泛的新技术.液晶显示信息量大,可显示视频图像,可用于计算机终端,通信及摄像监视等高信息量器件.
除上述以外,光电子材料还包括光存储材料,发光材料,光电集成材料和光电转换材料.光存储材料是以光盘存储材料为主,用于数字信息的存储,特别是连接电子计算机的编码信息存储;按引起发光的激发机制和激发源来分类,发光材料可分为电致发光,光致发光和阴极射线发光材料.发光材料主要应用于各种射线的探测;光电集成材料是由光波导材料和光电器件薄膜材料组成,主要用于光电集成器件;光电转换材料是以单晶硅和多晶硅为主,主要用于太阳能电池.
第4节 晶体材料
晶体材料按其导电性质可分为介电体,半导体,导电体,超导体.介电体又称电介质,通常人们把电导为零(绝缘体)或禁带很宽的物质称为电介质.其实,电介质的确切定义是在电场作用下能发生极化的物质,即电介质是以感应而不是以传导的方式来传递电的作用和影响的.将电介质放在电场中,如放在已充电的平行板电容器之间,其表面就感应出电荷,如图5.1所示,这种变化称为电极化.电极化强度用介质表面的极化电荷密度,或介质单位体积内的电偶极矩(数量相等,符号相反的电荷与其间距的乘积)来衡量,记作P.产生电极化的主要原因有电子极化,原子(离子)位移极化和取向极化三种,图5.2示出了这三种电极化的机制示意图.在外电场作用下,原子或离子的电子云与原子核发生相对位移,从而产生了电偶极矩,这称为电子极化(Pe)[图5.2(a)].在外电场作用下,正,负离子间发生相对位移,从而产生了电偶极矩,称为原子(离子)位移极化(Pa)[图5.2(b)].有些物质的分子,在无电场作用时,正,负电荷的重心不重合,存在着分子的固有电偶极矩,但由于热运动,分子电偶极矩的取向随机分布,单位体积内的总电偶极矩为零.当有外电场作用时,偶极矩部分地转向电场方向,作取向排列,因而单位体积内的总电偶极矩不为零,这称为取向极化(Pd)[图5.2(c)].
此外,有些电介质在不受外电场作用时,存在着自发极化(Ps),这是由介质本身内部结构决定的,是介质固有的电极化.
还有一些电介质,在外力作用下发生形变而引起带电粒子相对位移时,其总电矩发生改变,在某些表面会出现电荷积累,这种现象称为压电效应.只有存在极轴,不具有对称中心的晶体才可能具有压电效应.所谓极轴是指轴的两端不能通过该晶体所具有的对称要素的作用而相互重合的轴.在晶体的32种对称类型(点群)中,有21种点群存在极轴,不具有对称中心,其中的432点群由于对称性高,其压电系数的备分量为零,不具有压电效应,其余20种点群可能具有压电效应.真正具有压电效应的晶体必须是非导电体,而且应该是离子性晶体或由离子团组成的分子晶体.
在压电晶体中,某些晶体当温度变化时,其自发极化会发生变化,这种现象称为热释电效应.只有具有单向极轴(或唯一极轴)的晶体才具有热释电效应.所谓单向是指晶体中不能通过本身所具有的对称要素的作用,而与其它方向重合的方向,单向并不一定是极轴,极轴也不一定是单向,只有极轴与单向一致的晶体,才具有热释电效应.在具有压电效应的20种点群中,有10种点群的晶体存在单向极轴,具有热释电效应.
在热释电晶体中,有一类晶体的自发极化可在外加电场的作用下而反向,其自发极化强度P与外加电场E之间的关系,呈与铁磁体中的磁滞回线类似的回线关系,这个回线称为电滞回线.这类晶体的介电性质在许多方面与铁磁体的磁性行为相类似,所以称这一类晶体为铁电体(其实晶体中并不一定含铁),或称强诱电体.
电介质晶体按以上性质区分及它们之间的相互关系可示意地表示为图4.1.
图4.1 电介质晶体的分类及相互关系
压电铁电晶体具有优良的光学性质,对其光学性质和应用的研究,是当前最为活跃的领域之一.压电铁电晶体的光学性质主要包括电光效应,非线性光学效应和弹光效应.外加电场可以使单折射物质(光学各向同性介质)变为双折射物质(光学各向异性介质),也可以使本来就具有双折射的物质进一步改变其各向异性,这就是电光效应.
自从上个世纪末发现晶体的压电效应以来,在压电材料及其应用方面进行了广泛地研究.一直到50年代,压电晶体材料的应用主要局限于直接利用其压电性能,如制作各种超声换能器,水声换能器,电声器件以及滤波器等.从60年代开始,由于微波声学,激光技术等的要求和推动以及晶体制备工艺的发展和完善,不但陆续出现了许多新晶体,而且发现压电晶体具有诸如热释电效应,铁电效应,电光效应,声光效应,非线性光学效应,半导体效应等一系列优异的性能,并在各项新技术中逐步被采用.从此,压电晶体材料的应用领域,远远超出了单纯作为换能器材料使用的"传统的"范围.不仅在无线电电子学,而且在光电子学等新领域中占有日益重要的地位.
第5节 磁现象与磁性材料
磁石吸铁,马蹄形磁铁吸针,指南针指南,这是人们常见而又十分熟悉的磁现象.磁石,指南针,马蹄形磁铁都是磁性物质,即磁性材料.目前在工程技术上得到广泛应用的是对外磁场的响应特别敏感的各种强磁性材料,它已成为现代电力,电子,能源,交通,信息等工业的重要基础和支柱,并与现代国防建设,国民经济发展,农林牧副渔业和人民生活紧密联系在一起.
按照现代科学的观点,磁是自然界存在的普遍现象之一,是一切物质的一个基本属性,是人类,动植物赖以生存的一个基本条件.在现代人类社会生活中到处都可找到磁性材料的应用.例如利用电磁感应,磁作用原理而产生电力的发电机,输送电力的变压器,用电作功的电动机,测量电性能的磁电,电磁仪表,电子计算机中的磁鼓,磁带,磁盘等磁性存储器,微波中继通信,卫星通信和光通信中的隔离器,环行器,开关,收录机,电视机中的各种变压器,偏转磁芯以及磁性保健产品——磁性项链,磁水杯等无一不与磁性材料相关.这就是人们常说的无物不有,无处不在的磁,地球本身就是一块大磁铁,可以毫不夸张地说,人类就生活在磁的汪洋大海之中.
物质的磁性起源于物质内部的电子和原子核.磁系指物质的磁性和在空间的磁场,磁性乃是指物质在磁场中受到的力或力矩作用的性质,磁场则是指运动电荷在其中受到人作用的物理场,所以说一切物质都具有磁性,只是有强弱之差,任何空间都存在着磁场,只是高低不同而已.
根据物质中原子或离子磁矩的有序排列方式,一切物质可分为如下几类:
现代磁学理论表明,铁磁性物质的磁性来源于未填满各壳层中的电子,由电子自旋产生的自旋磁矩决定着铁磁物质的磁性.元素周期表中三个过渡族元素——铁(Fe)族,钯(Pd)族,铂(Pt)族以及稀土(R)族,镧(La),镥(Lu)和锕(Ac)系元素都有不满的内部电子壳层(一般元素都是满壳层,不存在强磁性),所以它们对外均显示强磁性.对于含有过渡元素,稀土元素的块体材料及其原子磁矩排列的研究,可得如图5.1所示的四类物质磁矩排列情况.
图5.1 四种磁性的磁矩排列示意图
依磁滞回线形状及其特点分类,磁性材料可分为以下五种:
一,软磁材料
它的特点是μi或μm(最大磁导率)值高,HC小即磁滞回线瘦窄,可用于制造变压器铁芯,发电机,电动机的转子和定子,继电器,电磁铁,电感器的铁芯,磁路中的磁轭(导磁体)等.常用的软磁材料有纯铁,硅钢片,铁锦合金,软磁铁氧体等.
二,永磁材料
这种材料主要用于制造各种永久磁体,如磁电式仪表,电度表,电动式扬声器,电机,磁选机,微波管(如磁控管,行波管等)中用的永磁体,要求其HC,Br及(BH)max高,温度稳定性好.
近十几年来,由于应用技术的发展,将HC较低而Br较高的一些永磁材料(1.6kA/m目前用得最多的永磁材料是AlNi系及AlNiCo系,SmCo,NdFeB等稀土类金属永磁及磁铅石结构的M型钡铁氧体,锶铁氧体等.
三,矩磁材料
矩磁材料的矫顽力也很小,与软磁相似,它的特点是滋滞回线呈矩形.由于矩磁材料主要用于磁记录和磁存储技术方面,所以又叫做磁记录与磁存储材料.这种材料大量用作电子计算机存储器中的记忆元件及自动控制装置中的控制元件.矩磁铁氧体可用于制造脉冲变压器的磁芯.
四,压磁材料
磁性材料磁化时,形状和尺寸总要发生弹性变化.这种现象称为磁致伸缩效应;这种材料叫做磁致伸缩材料,又叫做压磁材料.利用它可以制造在民用及军事上都有广泛用途的电声换能器等.
五,旋磁材料
铁氧体在微波中显示出一系列特殊的被称做旋磁效应的现象,利用这些效应可以制成各种微波器件,广泛地应用于雷达技术中.在这方面使用的铁氧体就叫做旋磁材料,又叫做微波磁性材料.
第6节 电子陶瓷材料的基本概念
图6.1 功能陶瓷力,热,电性能之间的关系
陶瓷是人类社会文明进步的产物和象征之一.狭义的陶瓷概念主要指无机非金属粉末烧结体,从这个意义上讲,可以认为陶瓷是由工艺而得名的,凡通过制粉,成型,烧结工艺获得的无机非金属固体材料均可称为陶瓷.广义的陶瓷概念则扩展到整个无机非金属固体材料或无机化合物固体材料,在形态上除一般多晶烧结体外,还包括单晶,玻璃,薄膜,纤维,粉体等,其制备方法也就不再局限于常规烧结法.现代陶瓷分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类,是航天,新能源,新材料,微电子,激光,海洋工程和生物工程等高新技术的重要组成部分和不可缺少的物质基础,也是当前高技术竞争的热点之一.
功能陶瓷是利用其特有的电,磁,声,光,热,弹等直接效应及其耦合效应所提供的一种或多种性质来实现特定的使用功能,图6.1表示功能陶瓷力,热,电性能之间的关系.
由图可见,除了外围三角形与内圈三角形的同一角对应顶之间的主效应(用粗线表示)以外,还有处于不同角的物理量之间的耦合效应.耦合效应是材料性能的重要组成部分,这种耦合效应住往是指某种材料对一种物理作用通过间接途径产生特定的物理响应,如电致伸缩效应是由电场在诱导电介质材料的电极化过程中使带电质点位移进而产生与电场平方成正比的机械形变,热释电效应则是由温度影响材料的极化状态使之释放表面电荷产生电流信号.
从实际应用的角度而言,利用电学方面的直接效应以及电磁,电声,电光,电热,电弹耦合效应为主要工作机制的电子陶瓷构成了功能陶瓷的主体部分.
电子陶瓷特殊效能的开发主要来源于对复杂多元氧化物的化学组成,物相结构,工艺,性能和使用效应之间相互关系的系统研究,其性能的调节和优化可借助离子置换,掺杂改性及工艺控制手段来实现.近年来,通过在高纯超微粉体技术,致密化成型及烧结技术,陶瓷薄膜制备技术,材料分析及测试技术等方面取得的重大进展,对材料制备工艺的反应过程,表而与界面的结构与性质,显微结构的形成与变化以及这些因素对陶瓷性能的影响有了更深入的了解,从而在电子陶瓷薄膜,超晶格材料,复合材料,纳米陶瓷材料,机敏材料及智能材料等领域取得了引人注目的研究进展,电子陶瓷材料的研究开始从经验式的探索,逐步走向按所需性能进行材料设计,对电子陶瓷性能的开发和应用起到了很大的促进作用.
6.1 电子陶瓷材料的作用和地位
电子陶瓷的品种多,性能独特,应用面宽,技术更新快,尤其在军事电子技术领域具有重要使用价值,因而是军事电子技术的主体支撑材料之一.高性能的电子陶瓷材料已成为可望突破某些重要技术瓶颈的不可替代的关键材料.例如,用具有高热导系数的陶瓷材料制备的散热支撑件是提高行波管功率的关键零件,高导热陶瓷也是高密度大功率多芯片组装基片的基础材料,均匀致密的高性能铁电陶瓷薄膜则既是制备非致冷常温操作的红外探测器的关键材料,又是制备抗射线辐射,抗电磁干扰的非易失性随机存储器的基础材料,这样的事例不胜枚举.按使用性能分类.电子陶瓷材料的种类及其应用如表6.1表示.
表6.1 电子陶瓷材料的种类及其应用
种 类
重要应用示例
绝缘陶瓷
集成电路(IC)衬底,微波大功率器件散热支撑件,多芯片绕装(MCM)用基板及封装
介质陶瓷
高比容电容器,射频高功率电容器,抗电磁干扰滤波器,小型化高稳定微波介质谐振器(DRO)
铁电陶瓷
强电流注入源,铁电阴极,非易失性抗辐射铁电随机存储器(FRAM)
电光陶瓷
电控光开关,光调制器,光存储器,强激光或核闪光护目镜
压电陶瓷
小型高升压比压电变压器,压电马达(直线或回转),压电谐振器,滤波器,频率控制及信号处理(SAW)器件,冲击波探测器,爆电换能器,水声探测器,压电制动器
热释电陶瓷
红外探测器,焦平面红外热成像阵列(室温操作无须致冷),便携式夜视仪,红外瞄准镜
电致伸缩陶瓷
高分辨率高精度微位移驱动器
电致变色陶瓷
可见光,近红外,红外调制机敏窗口及大屏幕显示
导电陶瓷
高能量密度钠硫电池隔膜,HTFC燃料电池隔膜,氧传感器磁流体发电(MHD)高温电极,固体氧化物燃料电池(SOFC)阴极
超导陶瓷
高性能微波器件(谐振器,滤波器,放大器,耦合器,延迟线),超导量子干涉器(SQUID)
压敏陶瓷
过电压保护器,浪涌及低电平噪声吸收双功能器件
热敏陶瓷
测温及热补偿器件,稳压器,限幅器,过热过电流保护装置,智能恒温加热器
湿敏陶瓷
湿度测量及控制器件
气敏陶瓷
易燃及有毒气体探测器,发动机空燃比控制器
磁性瓷
微波铁氧体材料,磁泡畴存储材料,磁致伸缩器件,水声换能,力,速度,加速度传感器,混频器
第7节 纳米材料
随着科学技术的发展,人们认识世界的思路不断地拓宽,不仅向地球,海洋,月亮,星际,太空方向探索,也向着物质奇妙的微观世界进行了孜孜不倦的研究.对材料性质的认识也从宏观深入到微观,逐渐加深."一尺之棰,日取其半,永世不竭."这是我国古代流传下来的朴素的物质可以无穷分割的思想.但限于历史条件,没有先进的科学方法,没有适合的手段和观测仪器,因而也不可能实现.高度发达的科学技术,使得对物质微观世界的认识有了相应的条件和基础,特别是本世纪50年代以来,微电子技术的崛起,促进计算机技术,软件技术的高度发展,又推动了集成技术向更高阶段发展,其集成度不断增加,工艺精度越来越高,光刻线条已缩小到亚微米,纳米的宽度,可以在11mmx11mm芯片上集成几十万个元件.进一步缩小线宽,增加密度,使得集成电路成品率更高,成本更低将面临许多难题.在不断地实践过程中,人们发现,不断缩小尺寸会涉及到纳米量级器件的结构,工艺技术,基片的完整性,表面处理,全面质量控制等各项关键技术.这些技术同我们今天已经掌握和利用的技术有很大的差别,它的特性进入介观量子体系(mesoscopic quantum regime)理论描述的范畴,并形成了一门新兴的科学——纳米电子学,成为现在研究的热点.
纳米世界有许多我们按平常思路想象不到的现象,它体现出多种效应,从而带来许多新的应用.比如说,一个边长为1mm的立方体,它的表面积为6mm2,如果边长分割成0.001mm时,它整个的表面积变成为6000mm2,表面积增加了近1000倍.如果把1mm3的物体分成边长为1nm的小立方体,它的表面积就成了6m2了,比原来的表面积增加了100万倍.表面积增加了这么大,使它的活性增强了,这样细小的粉尘物质就很容易在空气中燃烧和爆炸.如果将这样的超微细粉末掺入火箭的固体燃料中,可能成百倍地提高燃料的燃烧效率.所以,一旦物质进入纳米级后,其性质与原来宏观情况下所表现出的真有天壤之别.
纳米材料具有一系列的鲜为人知的物性,对整个材料领域来说,将开拓一个新的方向,成为发现新待性,新效应和新器件的基础.纳米材料与纳米电子学,纳米机械,纳米生物学共同组成了纳米高技术群体,它的出现标志着高新技术进入了一个崭新的发展阶段.
7.1 什么是纳米材料
纳米材料按其颗粒组成的尺寸和排列状态,可分为纳米晶体和纳米非晶体.前者指所包含的纳米微粒为晶态,后者由具有短程序的非晶态纳米微粒组成,如纳米非晶态薄膜.单相纳米微粒构成的纳米材料通常又称为纳米相材料,如纳米氧化物,纳米氮化物等.由不同相的纳米微粒或不同纳米微粒构成的纳米固体又称为纳米复合材料.
7.2纳米材料的分类与特性
自从德国物理学家格雷特(Gleiter)等人首先获得纳米级块体材料并对其各种物理性质进行研究以来,纳米材料广泛引起各国科学界的关注,对纳米材料的结构和特性从各方面进行了研究.1986年获得诺贝尔物理学奖的扫描隧道显微镜(STM)的发明,实现了人类亲眼看到微观原子世界真面目的愿望,它是观察研究纳米材料的有力手段之一.STM具有非常高的空间分辨率,横向分辨率达到0.1nm,纵向可达到0.01nm,可直接观察到物质的原子结构.所以,STM广泛地用于纳米材料的研究.
一,什么是纳米材料的分类
纳米材料至少是在一维方向上受纳米尺度(1~100nm)调制的各种固体材料,从这个概念上来理解的话,我们可以把目前所研究涉及的纳米材料结构大致地分为以下几类:
(1)零维的原子团簇和纳米微粒;
(2)一维调制的纳米单层或多层薄膜;
(3)二维调制的纳米纤维结构;
(4)三维调制的纳米相材料.
纳米材料结构示意图如8.1所示.纳米材料微粒尺寸小,表面积大,位于表面的原子占相当大的比例,表8.1给出纳米微粒尺寸与表面原子数的关系.
二,纳米材料的特性
(1)纳米材料的特性主要表现四种效应:①小尺寸效应:当超细微粒光波波长,德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等的物理特征尺寸相近或更小的时候,符合周期性的边界条件受到破坏,因此在光,热,电,声,磁等的物理特性方面都会出现一些新的效应,称为小尺寸效应;②表面与界面效应:纳米微粒的表面积很大,在表面的原子数目所占比例很高(见表8.1),大大增加了纳米粒子的表面活性;表团粒子的活性不但引起微粒表面原子输运和构型的变化,同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化;③量子尺寸效应:当粒子尺寸降低到最低尺寸时,费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象,当能级间距大于热能,磁能,静磁能,静电能,光子能量或超导态的凝聚能时,必须考虑量子尺寸效应,它能导致纳米粒子的磁,光,电,声,热,超导等特性显著不同;④宏观量子隧道效应:微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应,量子尺寸效应,隧道效应将是未来微电子器件的基础,或者说它确立了现有微电子器件进一步微型化的极限.
小尺寸效应,表面界面效应,量子尺寸效应和量子隧道效应,都是纳米粒子与纳米固体材料的基本特性,是纳米微粒和纳米固体出现与宏观特性"反常"的原因.
(2)由于纳米材料有很大的表面积/体积比,界面处的杂质浓度大大降低,因而与普通材料相比具有更好的力学性质,如断裂应力提高,范性增强等.
陶瓷材料的晶粒尺寸与强度的关系,一般是随晶粒尺寸的减小,强度以指数关系增氏,并且晶粒的纳米化有助于晶粒间的滑移,可使材料具有塑性行为;纳米材料这种增韧效应主要归结于大量的界面因素,普通陶瓷只有在1000℃以上,应变速率很小时才能表现出塑性,而许多纳米陶瓷在室温下就可以发生塑性形变.纳米TiO2在180℃时塑性形变可达到100%,经受弯曲而不产生裂纹,带裂纹的TiO2纳米陶瓷能经受一定弯曲而裂纹不致扩展,与粒度1.3μm的TiO2陶瓷比,得到相同硬度的话,可使烧结温度降低400℃,大大改善了工艺条件.这些特性可能都与大量的界面或表面密切相关.
(3)纳米材料具有很高的磁化率和矫顽力,具有低饱和磁矩和低磁滞损耗.纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍,而饱和磁矩是普通金属的1/2.纳米磁粉粒度小于一定临界尺寸时,磁畴壁能的增长大于静磁能的降低,此时多畴态不存在了,整个颗粒成为一个单畴体,从而获得最低能量而成为最稳定的结构.这种单畴粉构成单畴磁性材料不会出现磁滞现象,剩余磁化强度和矫顽力都为零.另外还有巨磁阻效应等新特性.
(4)在较宽的谱段范围内显示出均匀的光吸收特性.纳米硅薄膜具有一系列不同于非晶硅,单晶硅的特性,在可见光和红外光范围内,光吸收系数值明显高于其它结构的硅材料.对于粗晶和单晶体硅状态下难以发光的间接带隙半导体Si,Ge等,当其粒度减小到纳米级时会表现出明显的可见光发光现象,且随着粒径的进—步减小而发光强度还会逐渐增强.
过渡族金属离子Fe3-,Cr3+在纳米结构的Al2O3块体中,会引起可见光范围内产生两个发光带,这些现象的发现很可能使它成为新型纳米发光材料.
7.3纳米材料的制备方法和应用前景
一,纳米材料的制备方法
纳米材料的制备方法很多,借助于不同的高科技手段和设备装置己形成了纳米材料工艺学.归纳起来,制备方法有以下几大类:
(1)惰性气体气氛下蒸发凝聚法.通常由具有清洁表面的,粒度为1~100nm的微粒经高压成形而成,纳米陶瓷还需要烧结.国外用上述惰性气体蒸发和真空原位加压方法已研制成功多种纳米固体材料,包括金属和合金,陶瓷,离子晶体,非晶态和半导体等纳米固体材料.我国也成功地利用此方法制成金属,半导体,陶瓷等纳米材料.
(2)化学方法.该方法主要有:①水热法,包括水热沉淀,合成,分解和结晶法,适宜制备纳米氧化物;②水解法,包括溶胶—凝胶法,溶剂挥发分解法,乳胶法和蒸发分解法等.
(3)综合方法.结合物理气相法和化学沉积法等所形成的制备方法.其它还有一般的球房粉末加工,喷射加工等方法.
二,纳米材料的应用前景
纳米材料有广泛的应用前景,尤其是在潜在的应用领域则更为突出,估计在21世纪将会在电子学,生物学等领域中大显身手.目前市场已有纳米涂层和刀具材料的应用,主要用于传统工具,刀具表面改性和制备高硬度,高强度(或高韧性)的新工具,其主要材料有c—BN,SiC,金刚石,Si3N4等.
在电子技术中,纳米复合功能陶瓷主要用于制作传感器.由铅钛酸铅陶瓷微粉,纤维与聚合物复合成的材料,可使水声探测器和医学超声探测器的灵敏度提高几个数量级.利用铁电陶瓷,铁氧体微粉与聚合物,多孔玻璃等形成的复合材料,在声波和电磁波吸收方面取得很好的结果,在减振,降噪,隐形等方面已进入实际应用阶段.
纳米磁性材料可在软磁材料,磁记录材料和永磁材料中得到广泛应用.纳米软磁材料损耗低,高频特性好,饱和磁化强度高,是理想的软磁材料.纳米磁粉可制成高记录密度和高信噪比的磁介质,亦可制成高矫顽力和高剩磁的永磁材料.纳米磁粉和磁膜广泛用于电子器件,精密仪器,磁头,磁盘,微型电机及电子计算机等方面.
第8节 电真空器件用材料
电真空器件通常称为电子管,现在又称真空电子器件.所谓真空电子器件用材料即为制作这种器件所用的一类专门材料.
70年代以来,人们普遍存在这样一个概念:即微波管器件将逐渐被半导体器件所取代.经过20~30年的研究,开发和应用历程,特别是1991年的海湾战争,说明微波管在近代战争中是有重要作用的,在某些领域是不能被半导体器件所取代的,应该说,它们两者各有各的用途.
在低频率,低功率情况下,微波管器件完全可以被半导体器件所取代,但在高功率,高频率下,微波真空电子器件则占有绝对优势,是唯一可选用的器件.
从海湾战争可以说明,美国制造的电子干扰,预警飞机,火控雷达,精密制导等系统几乎都离不开微波管器件.发送雷达,通信以及干扰信号,90%是由微波管器件来负担的.因而,真空电子器件的重要地位和不能取代的现实是显而易见的.
微波真空电子器件主要包括:宽带大功率行波管,栅控行波管(双模和多模行波管),毫米波器件,正交场放大器件,真空微电子器件等.今后,微波真空电子器件的发展重点是宽频带大功率行波管和高频率,大功率毫米波等器件.据报道,螺旋线行波管脉冲功率己达160kW,而连续波可达3kW,频率在46GHz时输出功率可近100W.
在制作上述大功率行波管时,将对材料提出更高的要求,例如对一个Ka波段的10W连续行波管(螺旋线结构)来说,在螺旋线上功率耗散将达1.0W/圈,这是常用材料(包括螺旋线,夹持杆,管壳等)难以胜任的,如果是达100W级的输出功率,这对材料和工艺的要求将更是十分严格的.
真空电子器件已经用于所有国民经济领域,特别是应用于许多军事电子装备,它的高可靠,长寿命,低噪声,宽频带,大功率,小型化等都涉及到材料质量的提高和新材料的研制,开发和应用.以下简述对真空电子器件用材料的一般要求.
1.良好的真空气密性
真空电子器件是处在高真空(10-4~10-5Pa)状态下工作的,因而对材料的气密性要求很高,即材料本身应气密,在工作状态下不能放出气体,特别是不能放出有害气体.
2. 严格的杂质控制
真空电子器件对所用材料的杂质很敏感,杂质直接影响器件的性能参数和可靠性,例如充汞管中所用的汞,其纯度要达到99.999%以上;在某些钎焊过程中所用的氢气,其露点应在-40℃以下.
3.良好的加工性能
真空电子器件用材料随着器件的发展也要求材料有所更新,特别是毫米波器件已开始制管,这样对材料加工精度已达到微米级,而所需要的加工方法也是多种多样的,例如车,铣,刨,磨,冲压,旋压,电化学加工等,因而要求材料有良好的加工性.
4.优良的高热导率
由于军事上的需求,真空电子器件近年来的发展方向是大功率,超高频.由于器件的小型化,给器件热量的传输带来很大的困难,由此而引起器件的损坏或过早的寿命终了.解决的办法之一是采用高热导率的金属和介质,例如W—Cu合金,Mo—Cu合金,BN,AlN等非氧化物的高热导率的陶瓷材料.
由于真空电子器件应用广泛,种类很多,结构复杂,因而所用的材料也是各种各样的,约有60大类,4000个以上的品种规格,一个仅重5.1kg的栅控行波管,就需要531个零件,21种材料,48种规格,其中还有几百条气密焊缝.
真空电子器件还需要许多特殊的材料,对于这些特殊材料又有各个不同的特殊要求,例如真空电子器件对阴极材料的要求是:①在一定条件下,能提供均匀和较大的发射电流密度;②工作温度较低;③阴极蒸发速率小;④耐离子轰击,抗"中毒"能力强;⑤寿命长.
真空电子器件用材料涉及的种类十分广泛,几乎包括了自然界中70%以上的元素,按材料的性质分类,该材料可分为以下几类:
1.难熔金属
这种材料包括钨,钼,钽,铌,铼,锆,铪,钒等8种,但用于真空电子器件时,往往也使用其合金.
2.非难熔金属
这种材料包括铁和钢,镍及其合金,铜及其合金,锆及其合金以及定胀系合金等.
3.焊料
常用的焊料有钯系,金系,银系,铜系以及钨钴,铂钌等.
4.特种金属材料
这种材料包括贵金属(如金,银,铂,钯,铑,钌,锇,铱)和复合材料(如封接用复合材料和电极用复合材料).
5.磁性材料
这种材料包括软磁,硬磁和超导磁体.
6.电真空陶瓷
电真空陶瓷是真空电子器件用材料中重要的一支,是器件中重要的介质材料,它包括氧化物陶瓷,硅酸盐陶瓷,氮化物陶瓷以及衰减陶瓷和可切削陶瓷等特种陶瓷.
7.电真空玻璃
电真空玻璃品种很多,除电子管玻璃外,还有显像管玻璃,焊料玻璃,微晶玻璃以及石英玻璃等.
8.其它介质专用材料
这类材料主要有:云母,金刚石,人造宝石,碳和石墨制品,真空油脂,硅橡胶,氟橡胶及其制品以及各种工艺气体,纯水等.
由于真空电子器件用材料是发展真空电子器件的物质基础,也是改造传统产业不可缺少的资源和手段.因此,世界各工业发达国家都给予高度的重视,把新材料的研究和开发列为关键技术的重要组成部分.
第3部分 传感技术
人类认识世界和改造世界的过程,在技术上首先就是一个不断地从外界获得信息并进行处理加工的过程,以及在此基础上依据所提取的信息并通过一定物质和能量形成对事物(也包括对自身)进行组织,调整和控制的过程.没有传感技术,许多有用的信息就不能获得.传感技术的发展源远流长.远古时期,人类为了从大雾中提取方向信息,发明了指南针;两千多年前,我国古代的军事将领就能够利用"虎符"一类方法来隐蔽和识别信息;用浑天仪等等来检测时间信息.今天,我们利用遥感和信息处理方法来研究地学理论,采用无线电望远镜和信息提取的方法来研究天文现象,利用模式识别的方法来识别和发现新的基本粒子等.因此,传感技术在信息技术中占有重要的地位.
随着人类社会从工业化时代向信息化时代的迈进,传感技术作为一种高新拉术已进入新技术革命的所有领域,步入国民经济的每一个部门,渗透到社会生活的各个领域.
传感技术及设备,相当于人的感觉器官.它的任务是高精度,高效率,高可靠地采集各种形式的信息.因此,各种电子遥感,遥测,遥控以及各种高性能的传感器,显示器,是传感技术的重要组成部分.
一,传感器及其技术
传感器是将非电的物理量(如温度,压力,流量等量)转换为电量的装置,以便这些量可以进入到电子设备(如电子计算机)中进行测量或处理.
由于高性能传感器及其技术已成为信息技术的一个重要组成部分,各工业发达国家对传感器技术的开发十分重视,并大力投资.80年代,全世界对传感器及其技术的投资,据估计已超过100亿美元.与此同时,各国政府还成立了专门机构,以促进传感器技术的发展.
传感器从70年代开始逐渐从实验室走向生产,特别是固体传感器从70年代开始大量生产,80年代热敏电阻,压敏电阻和光敏电阻已具有现代化大生产技术,走上了规模经济的生产轨道.气敏和湿敏元件及其传感器预计90年代可以进入大生产.
下面介绍几种典型的传感器技术及其应用:
1.力敏元件及传感器.力敏元件及传感器是检测力学量的装置.目前,被检测的力学量包括力,张力,重力,压力,扭矩,位移,速度(包括角速度),加速度(包括角加速度),流量,液位高度,比重,振动等量.以往传统的结构型力学量传感器正被物性型传感器逐渐取代,这种物性型传感器是直接利用物理效应来完成力学量的转换的.利用的主要效应除压阻效应,压电效应外,80年代又开发了利用压电容效应,声表面波效应,光纤等效应制作的力敏传感器,在物性型传感器中,半导体传感器已成为发展主流,半导体材料已占40%左右,受到世界各国的高度重视,1982年半导体传感器市场销售总值仅占传感器市场销售总值的5%,到1986年增至28%,1992年可达到40%.力敏传感器种类繁多,价格较贵.国外一些厂商宣称要以10美元/支的价格进入汽车市场.我国压力传感器价格一般只有国外同类产品的1/3左右.
2.陶瓷传感器.近几年来,陶瓷传感器因其稳定性好,可靠性高和价廉物美等优点,以及功能陶瓷对电,热,声,光,磁,力,气等物理量极为敏感,由其制成的单功能和多功能传感器得到广泛应用.陶瓷超声传感器已广泛用于医疗诊断方面.利用压电陶瓷制作的超声显微镜可观察物质内部几微米大小的缺陷,超声传感器已被用作空气流量传感器,用来检测涡流轨迹,陶瓷传感器还被用作超声雷达,用于测量行驶的汽车与障碍物之间的距离等等.
3.热敏传感器.热敏元件及传感器是应用最广泛的敏感元件和传感器之一.从测量方式来看,分为接触式和非接触式两大类.热敏电阻是目前世界上生产量最大的接触式热敏元件,适于高灵敏度的微小温差测量,经济性好,价格便宜,测量范围大都在常温区域,精度为一级左右.非接触式热敏元件及传感器主要是利用热辐射原理制作.典型的是激光温度传感器,这种传感器适用于远程和特殊环境下的温度测量.美,日,英等国目前均致力于它的研究.最近,美麻省理工学院正在研制最高测量温度可达8000℃的激光温度计,拟在核聚变研究中应用.
4.离子敏传感器(ISFET).这是一种微型化学敏感元件,它是电化学与微电子技术相结合的产物,这种器件既具有离子选择性电极的功能,又具备微电子器件所特有重量轻,体积小,响应速度快以及易于实现集成化等优点,被广泛应用于工业过程自动控制,环境污染监测,以及在生物体内,细胞内和细胞间进行离子活度的检测.尤其是在生物学,临床医学,生命科学和神经科学和神经生物学等方面已获得了极为成功的应用.1980年,日本的松尾正之就利用复合二氧化碳氢离子敏传感器(CO2,H+——ISFET)对正在进行分娩妇女的胎儿头皮血液中的气体和酸碱度进行测定,以及监测在分娩当天母体和胎儿的生理变化情况,如胎儿的心电图,心脏速率和子宫的压力等情况.
5.光传感器.光传感器是一种对外界光信号或辐射有响应,并可将光信号转换成可测电信号或变换成相应的控制信号的装置,其主要种类有光敏电阻器,光敏二极管和三极管,光耦合器,硅光电池,硅太阳能电池,电荷耦合器件等.当今,光传感器已从X射线,紫外辐射,可见光发展到远红外辐射;从黑白发展到彩色;从一般日照发展到10-5勒克斯的低照度,分辨率从200—300电视行扩展到2000电视行,甚至3000电视行以上,并正在向小型化,团体化,集成化和多功能,智能化方向发展.现在,光传感器不仅品种多,而且产量大,产量高.红外传感器在80年代已被广泛应用于医疗检测,夜视仪,光通信,防盗报警器,玩具等各个领域.
6.生物传感器.生物敏感元件是指以生物活性物质制作的元器件,由生物敏感元器件为敏感单元构成的传感器简称为生物传感器.60年代中期美国首先开发了葡萄糖传感器.80年代,生物传感器得到迅速发展,它的出现,打破了传感器领域中一直是以物理量转变成电信号的状态,开创了物理敏,化学敏,生物敏,物理化学敏传感器竟相发展的局面.这种传感器的优点是:选择性好,灵敏度高,操作简便,测定速度快,成本低,生物传感器广泛用于医学校验,环境监测,工业过程在线监测,食品检验,人工脏器,血液浓度分析等方面.
生物传感器技术是未来的食品工业的主要技术.据生物处理技术新闻月刊的一篇报告《生物技术市场预报》报道,在90年代生物传感器的市场将从现在的6200万美元增长到1.8亿美元.生物传感器可感应到特定的物质井将该物质的化学或物理变化转化为可测量的信号.这就为食品加工业提供了质量控制的可能性.生物传感器的应用范围很广,如检测鱼新鲜程度和碑酒的酿造等.生物传感器应用到食品的包装线上,可预示出食品在包装前是否有沙门氏菌.而现有的检验方法是必须将食品送到实验室中进行捡验.仅沙门氏菌检验技术一项的市场就为4000—5000万美元.在美国生物传感器的生产一般是私人的小企业,而在日本对此项技术却十分重视,有5个政府部门和50多个企业都在从事该领域的技术开发.
7.光纤传感器.光纤传感器的基础研究及有关产品开发在美国,日本和欧洲发展很快,无论在军事上的应用还是在工业,医学方面的应用,都取得了重大的进展.1990年世界光纤传感器的产值约为2.68亿美元,预计到2000年可达48.8亿美元.在此期间,军品的比例不断增加,预计到2000年军品与民品的比例为21:4.光纤传感器按其工作原理可分为干涉型光纤传感器,调幅型光纤传感器.前者灵敏度高,但技术难度大,成本也高.它主要用于军事,其产值在整个光纤传感器中占有较大的比例,预计到2000年增长到73%,达35.7亿美元.声光纤传感器是一种由对声敏感的光纤构成的干涉光纤传感器.这种技术能获得极高的灵敏度,在实际应用中可以从几百公里以外的水底声响中分辨出人为的和天然的海洋噪声.因此,各国海军都极其重视在反潜艇计划中发展声光纤传感器.调幅光纤传感器由于具有防爆,不受电磁干扰和安装容易等优点,因而很适合在许多过程中使用.预计不久将出现直径小于100微米的温度光纤传感器和血液化学传感器,可放在人身上,在放疗和其他治疗中做连续监测,既方便又安全.由于价格比干涉光纤传感器低得多,在技术上也容易实现,因而在测试领域,过程控制领域,医学上等得到广泛应用.
8.集成化传感器.这是一类在敏感元件的制作中借用集成电路的光刻,淀积,扩散等工艺技术发展起来的传感器.现已出现了将放大电路,运算电路,温度补偿电路与敏感元件集成于一体的集成化传感器.当前,压力传感器,温度传感器,磁阻传感器,霍尔传感器,多功能图象传感器等已实现集成化.日本通产省工业技术院电子技术综合研究所己在研制集传感功能,逻辑功能和存储功能于一体的三维光电传感器,此产品一旦研制成功,将可以代替和超过人的视网膜功能.
二,传感器技术的应用发展趋势
传感器技术的应用服务范围十分广泛,在当今世界中,它的一个特别突出的作用是应用在机器人的高级化过程中.要使机器人高级化,就必须开发相当于人的五种感官的传感器技术,与此同时,还需要具有独自判断信息并自动采取行动的智能.
1990年11月底,清扫机器人在巴黎地铁站台出现,站台任何一小块地方都逃不过它的地板刷,总共工作四五分钟就能完成清扫任务,并能上梯,下梯,属世界首创.这台"佳仆"清扫机器人有三种器官:一个心脏,一个大脑和一些眼睛.心脏是采取电机组形式,安装在机器人身上,可保证机器人8小时的能源自给.大脑具有计算能力,相当于十来个微机,对有关环境的数据能进行分析.这个宽1米,高1. 3米,重470公斤的机器人具有实现半转身,转身45度,一直朝前走,加速,减速,用刷子刷等功能."佳仆"对周围环境极其敏感,其中,传感器技术起了关键作用.它有一个磁性传感器装在它的底座下面,这个传感器帮助它认路,发现路上的物品,下身有5个超声波发射接收器,使它能够检测出可能遇到的障碍,在它身上发出的旋转红外线光束可扫视周围,为防止其倒在路上或梯子上,一个红外线传感器立即告诉它"脚"下是空的,使它及时止步等等.这种机器人的出现,说明传感器技术通过80年代的迅速发展,今后将通过小型化,集成化,多功能化和智能化,进一步扩大它的应用.90年代,传感器及其技术的应用发展趋势为:
1. 气象,地震:利用传感器技术预报局部地区暴雨,山崩,泥石流,洪水等,调查海底地壳活动情况,预测地震.
2.机器人方面:开发能在有毒气体,放射能,粉尘等恶劣环境以及能代替人在宇宙空间,海洋,原子反应堆等特种环境中工作的智能机器人.
3.发展大陆架石油,天然气等资源的传感器探测技术.
4.医疗:利用传感器技术辅助治疗癌症.家庭,医院中作杂务的机器人以及医疗机器人.
5.环境卫生以及通信应用等各个方面.
三,雷达技术
雷达是一种重要的信息获取手段,主要用于对飞行物(飞机,导弹)的方位,距离进行测定的电子装置.它主要有微波发射机和接收机及信息处理等三部分组成.发射机发射一束微波到被测飞行目标上,接收机接收从飞行目标上反射回来的信号.人们可利用发射和接收信号间的时间差,相位差等各种数据,经信息处理,来确定飞行物的方位,距离等,这样对敌机可实施攻击,对我机可进行引导作战.在民用中也可引导飞机着陆等等.由于其应用广泛,自1935年问世后50多年来,它已成为武器系统中的主要装备之一.在国防建设,经济建设中起到越来越重要的作用.
60年代以来,航空和空间技术的发展,出现了一些新体制的雷达,如相控阵预警雷达,机载预警和火控雷达,脉冲压缩,动目标检测,单脉冲精密测量雷达等.随着飞行器和各种武器系统的发展,对新一代雷达除了满足全天候,大威力,多功能,多目标,高精度,高分辨力,超低空和高可靠性等常规性能指标要求外,最突出的要求是;抗摧毁,能抗反辐射导弹;快速反应,在各种干扰环境中,雷达工作频率,波形,天线波束形状与位置,信号处理的响应等均可自动适应,并调整到最佳工作状况;超远程,能提供充分的预警时间,微观并成象,未来战争属合成军作战,目标密集度高,要求雷达必须提供大量目标的高分辨力可视图象.
现代全球防御(即空间防御,弹道导弹防御,空防三合一防御)中获取目标信息(情报)的雷达传感器,已成为防御体系中第一需要而起着决定性的重要作用.几十年来,世界各国研制,部署了大约1800多种各式雷达系统,包括军用地面雷达,机载雷达,舰载雷达等大的类别.在国际电子市场中,机载电子设备占65%,其中机载火控雷达占53%,舰载电子设备占25%,其中主要是舰载防空和火控雷达;地面电子设备占10%,其中主要是地面防空和火控雷达.这些雷达的成功应用,既能适合于特定战略战术战场环境而又能满足特定的功能要求.
美,英,法,意大利等发达国家每年的雷达经费(包括科研费,采购费和维护资)占年度国防总经赞的比例在不断提高.由80年代初的2%~3%,到80年代末增加到3%~4%,这些国家的国防总经费开支占国民生产总值的4%~5%.以美国为例,雷达科研经费占军事电子科研费的15%~16%,雷达采购费占军事电子设备采购费的18%~20%,雷达维护费占军事电子维护费的16%~18%.美国每年花在雷达上的经费从80年代的150亿美元到90年代将增至200亿美元(1991年为198亿美元).其中以机载火控雷达和机载预警雷达及地面防空雷达为主.
未来雷达的共同要求是多目标,多功能,快速反应,高可靠性和全自适应能力.90年代雷达技术发展的主要特点之一是相控阵技术和全固态化.而且,相控阵技术已成为雷达先进技术的重要标志之—.今后10年,机载预警有源相控阵雷达,对中近程导弹进行预警的相控阵雷达等将得到优先发展.
四,遥控与遥测技术
遥控就是对被控对象进行的远距离控制.遥控技术综合应用自动控制技术和通信技术,来达到远距离控制,并对远距离控制进行监测.
根据控制信号的传输和变换方式,遥控可分为有线遥控和无线遥控.遥控技术已广泛应用于生产过程自动化,输油管道无人管理,制导等国民经济各部门领域.
遥测是对被测对象的某些参数进行远距离测量.首先由传感器测出被测对象的某些参数,并通过变换器转变成电信号,然后应用多路通信和数据传输技术,将这些电信号传递到远处的遥测终端,进行记录,处理及显示.
在国民经济,科学研究和国防等各部门中,如石油,电力,交通,气象,医疗,城市公用事业,原子能,无人驾驶飞机,导弹,卫星,飞船等,或由于距离远,或由于分散,或由于其他特殊原因,人们无法接近被测对象,都需要通过遥测,遥控来了解,监测和控制对象的工作情况,采用遥控遥测技术,可以提高各部门的自动化程度,改善劳动条件,提高劳动生产率,节省人力,提高管理调度质量等.
遥控,遥测技术在我们日常生活中应用很多.如我们常见的城市公用事业监测系统就是典型的例子.城市公用事业监控系统包括自来水,煤气,取暖用的热水分配,下水道排水等集中监视控制系统.这种系统由监视和控制两部分组成.监视部分常用数字监视和信号灯监视两种形式来监视被监视对象的运行状态,控制部分则用来控制设备的启停和调节设备的运行状态.
在城市公用事业监控系统中,一般被监控的对象比较分散,信息量较大.各监控系统可根据被监控对象的多少,信息量的大小,信息紧急程度,遥测量的多少,被监控对象的地理分布和通道形式来综合考虑,选择合理的监控方式和体制.例如,在中央监控室的自来水远距离集中监控系统,可以监视水厂的水源泵群,各加压泵的启停状况;可以监视水池水位,出厂水压,流量大小及进行越限报警;可以控制加压泵的运转,停止,调整加压泵的转速,阀门开闭程度等等.目前,城市公用事业监控系统向着小型化方向发展.由于计算机的广泛应用,使监控系统能够更及时,可靠,经济,省力和高效率地进行最优控制,从而能更及时,更经济地调动和使用动力设备,以适应城市公用事业随着季节,气象,昼夜,节假日等情况对电,气,水供求量变化的要求.
此外,遥测技术广泛应用于医疗事业.在医院里对重病员的脉搏,呼吸,心电图,体温,血压等参数进行遥测以便监护.它不仅可用于医院内部,也可用于医院与医院之间,利用电话线传送医用数据,供给医生诊断和会诊之用.另外,可应用于吞入体内的微型电子内诊器,将测得的参数如温度,PH值,氧气分压,有无出血等数据,通过小发报机向体外发送,由体外的无线电接收机接收和记录.
五,红外遥感技术
遥感即遥远感知,是人类感官的延长.二十世纪60年代新兴的一门综合性探测科学技术,它以远隔的方式,利用遥感器探测人眼看不到的物体或人耳听不到的声音等物体信息.探测物体是通过电磁,声波和力场的不同形式作为物理媒介进行的.应用最普遍的是电磁能,借助于遥感器把物体反射或发射(或兼有之)的电磁能强度记录在胶片上或磁带上,经过处理和判断可知物体数量,质量或动态变化的信息.在飞机上或气球上进行遥感叫航空遥感;在人造卫星,宇宙飞船,火箭,航天飞机上进行遥感叫航天遥感.目前,遥感技术广泛用于气象,地理,地质,环境监测,制图,农业,林业,探矿,军事侦察等方面.
近20年来,红外技术发展较快,在军民两用领域都有了广泛的发展.当前,其主要的应用方向是:空间战略防御,全球资源利用和准备为空间殖民而开展的生态学,天文学研究方面,以美国为首的红外技术先进国家每年投入大笔军用红外技术研究发展资金.如美国仅"战略防御计划"一项,1984—1989年度用于红外探测技术的研究费用便高达100多亿美元.
红外探测器是红外应用系统的核心,经过单元探测器,多元(阵列)探测器的发展后,目前重点发展焦平面阵列探测器.典型的遥感装置,有美国地球卫星上用的多光谱扫描仪(MSS)和主题测绘仪(TM)等.MSS和TM都采用反射式光学系统和机械扫描的方法.TM的地面分辨率为可见光30米,红外120米,几乎达到了这种系统的性能极限.为实现多功能化及提高可靠性,当前正用电子扫描代替机械扫描.例如,法国地球观测卫星上的高分辨可见光测距仪和日本海洋观测卫星上的多光谱电子自扫描辐射计,都采用了电子扫描方式.
红外遥感装置的发展方向为:提高分辨宰,压缩波长带宽,提高信噪比,提高信号处理和获取图象资料的功能等.
第4部分 人工智能技术
"智能" 一词可以用作名词,也可以用作形容词.如果用作名词,它是指人类所能进行的脑力劳动,包括感觉,认知,记忆,学习,联想,计算,推理,判断,决策,抽象,概括等等.如果用作形容词,它的意义是:人一 样的,聪明的,灵活的,柔性的,自学习的,自组织的,自适应的,自治的…….
智能理论的研究也分为两个方面,一方面是对智能的产生,形成和工作的机制的直接研究;另一方面是研究如何用人工的方法模拟,延伸和扩展智能.前者称为自然智能理论,主要是生理学和心理学研究者所从事的工作;而后者称为人工智能理论,主要是理工学研究者所从事的工作.在前者的领域中,"智能"多取名词的用法,因为研究的是"脑力劳动"本身的机制;在后者的领域中,"智能"多取形容词的用法,因为人们主要考察人工智能的功能与自然智能的功能相比,像不像,高不高,强不强
按道理讲,人工智能理论应以自然智能理论为基础.如果搞清了各种自然智能的工作机制及其各个功能部件的结构关系,那么就可以通过已经高度发达的电子的,光学的和生物的器件构筑类似的结构对其进行模拟,延伸和扩展,从而实现人工智能.但遗憾的是,由于人类的头脑结构高度复杂,也由于实验这一现代科学的锐利武器在研究人脑机制和结构时不能随意使用,直到今天,自然智能理论并没有搞清一些基本智能活动的机制和结构,总体进展十分有限.因而人工智能理论的主流已经从结构模拟的道路走向了功能实现的道路.所谓功能实现就是将自然智能的结构看作黑箱,而只控制黑箱的输入输出关系,只要从输入输出关系上看实现了所要模拟的功能即可.功能实现的道路使人工智能理论摆脱了自然智能理论进展缓慢的束缚,通过几十年的发展,已经形成了较为系统的理论体系,包含了极为丰富的内容,并在实际中得到了广泛的应用,发挥了显著的作用.本书主要介绍的就是人工智能理论.
这里所讲的是广义的人工智能理沦,它既包含基于符号推理的经典人工智能,也包含基于结构演化的计算智能,还包含模式识别等其他智能理沦.
第1节 经典人工智能
经典人工智能的研究开始于1956年.主要目标是应用符号逻辑的方法模拟人的问题求解,推理,学习等方面的能力.
问题求解是经典人工智能的核心问题,当机器有了对某些问题的求解能力以后,在应用场合遇到这类问题时,便会自动找出正确的解决策略.这种问题求解能力是基于规则的,是能够举—反三的.有了问题求解能力的机器就能比普通机器更灵巧地分析问题,处理问题,从而适用于更加复杂多变的应用场合.
推理是人的思维的一个重要方面,推理的三种主要形式是归纳推理,演绎推理和模糊推理.经典人工智能中推理的研究就是要模拟这三种推理形式,实现诸如故障诊断,数学定理证明,模糊问题判断等功能.
在经典人工智能中,"学习"一词有多种含义.在专家系统等应用中,它指的是知识的自动积累;在问题求解中,它指的是根据执行情况修改计划;在数学推理系统中,它指的是根据—些简单的数学概念和公理形成较复杂的概念,作出数学猜想等等.
经典人工智能是基于知识的,而知识通过符号进行表示和运用,被具体化为规则.但是,知识并不都能用符号表示为规则.智能也不都是基于知识的.人们相信,自然智能的物质机构——神经网络的智能是基于结构演化的.因此,20世纪80年代在经典人工智能理论发展出现停顿,而人工神经网络理论出现新的突破时,基于结构演化的人工智能理论——计算智能理论迅速成为人工智能研究的主流.
计算智能是以生物进化的观点认识和模拟智能.按照这一观点,智能是在生物的遗传,变异,生长以及外部环境的自然选择中产生的.在用进废退,优胜劣汰的过程中,适应度高的(头脑)结构被保存下来,智能水平也随之提高.因此说计算智能就是基于结构演化的智能.
计算智能的主要方法有人工神经网络,遗传算法,演化程序,局部搜索,模拟退火等等.这些方法具有以下共同的要素:自适应的结构,随机产生的或指定的初始状态,适应度的评测函数,修改结构的操作,系统状态存储器,终止计算的条件,指示结果的方法,控制过程的参数.计算智能的这些方法具有自学习,自组织,自适应的特征和简单,通用,鲁棒性强,适于并行处理的优点,在并行搜索,联想记忆,模式识别,知识自动获取等方面得到了广泛的应用.
第2节 其他智能理论
当前,数据采掘和知识发现是人工智能领域中的研究热点.所谓数据采掘和知识发现是以数据仓库为基础,通过综合运用统计学,模糊数学,神经网络,机器学习和专家系统等方法,从大量的数据中提炼出抽象的知识,揭示出蕴含在数据背后的客观世界的内在联系和本质规律,实现知识的自动获取.这一研究,将经典的人工智能方法和计算智能的方法进行了结合.
以智能体(Intelligent agent)概念为核心的分布式人工智能理论的研究是当前的另一热点.智能体是代表一切具有智能(无论是自然智能,还是人工智能)的实体的一个抽象名词.因此,它可以描述人,也可以描述机器人,智能设备,智能软件等等.智能体置身于某种环境之中,通过传感器感知环境,通过效应器施效于环境.智能体不能在环境中单独存在,而要与多个智能体在同一环境中协同工作,协同的手段是相互通信.但每个智能体都是主动地,自治地工作.分布式人工智能理论在并行程序设计,计算机通信,网络管理与控制等方面有很高的应用价值.
认知是自然智能的基础,也是人工智能所要研究的重要内容.人工智能中的模式识别理论便是研究机器认知的理论.模式这—术语是对被认知事物的概括,它既包括具体事物,如文字,声音,图像,人物;也包括抽象的事物,如机器的运行状态,国民经济状况等等.模式识别的方法有:模式匹配法,统计法和结构法3种.模式识别理论有很大的应用价值,文字识别,语音识别,图像识别等技术既是智能机器人的关键技术.也是人们用自然的方式操作机器的关键技术.
第3节 智能信息技术
智能理论的长足发展和广泛应用,引导了信息技术的智能化发展方向.功能越来越强大有效,服务越来越灵活多样,操作越来越简便自然的智能信息技术纷纷登场.本书将对通信,计算机和控制这3个领域中智能化技术进行介绍. 关于感测领域中的智能化技术,由于多被包含在通信,计算机和控制领域之中,因此不做单独介绍.
3.1智能通信技术
近年来,各类通信,传媒以及计算机网络技术得到了迅猛的发展.网络技术是当代通信技术的最重要的内容,因此智能通信技术的最重要的内容便是网络技术的智能化,这里主要介绍智能网技术,智能化网络管理与控制技术以及网络智能信息搜索技术.
1智能网技术
智能网技术的目标是为快速,灵活, 经济地生成通信新业务提供标准体系结构.在通常的技术条件下,通信,业务是与通信网络,甚至通信设备厂商密切相关的.要开展一项新业务,就要更新或新建通信网络,购买特定厂商的设备.在网络视模日益膨胀,网络结构日益复杂,通信容量日益巨大的今天,这种方式不但不方便不快捷,而且也会造成资源浪费.为此1992年国际电信联盟(ITU-T)提出了智能网体系结构的概念, 目的是使通信业务独立于基础通信网络,独立于通信设备的生产厂商.
在智能网的结构中,交换机被称作作业务交换点(SSP),只用来完成基本呼叫处理.在SSP之上设置业务控制点(SCP),来存放智能服务程序和数据.SCP与SSP的实时连接通过公共信道信令网实现.SSP在处理智能业务时,将业务请求提交给SCP.SCP通过查询智能业务数据库,将业务请求解释为SSP所能够进行的处理.这些处理再由SCP下达给SSP.因此,SSP并不需要知道智能网业务应如何处理,只要将其提交给SCP并接收它的控制,按照SCP的指令进行操作就可以了.
智能网的智能性是通过SCP体现出来的,因而,SCP也被称为智能节点.基于SSP和SCP的智能网体系结构使得只要改良SCP就可以实现智能新业务,而与基础通信网络无关.这就为快速,灵活,经济地开展通信新业务提供了条件.
所谓智能网首先在于它的体系结构是智能化的,因为它可以提供开放的,分布的,灵活的,经济的,独立于具体业务的智能业务生成平台.其次,SCP能够快速,准确,合理,优化地生成和实现各种智能业务,是网络中的智能节点.并且,在SCP和智能终端中,已经并且会越来越多地应用话音合成,语音识别,机器翻译等智能技术.
2.智能化网络管理与控制技术
智能化网络管理与控制技术是解决现代网络的管理与控制问题的有效手段.现代网络具备高速化,开放化,综合化的特点.高速化是指网络传输速率越来越高,例如光纤传输网络的速率已经达到几十吉比特每秒.高速化也就意味着大容量化.开放化是指不同传输介质,不同传输速率,不同体系结构的网络互联在一起,组成一体化的通信网.综合化是指在统一网络中,不同的业务,如语音,数据,图像,活动图像等综合在一起.这些特点决定了现代网络管理与控制的重要性和复杂性.如果不采用智能化的方法这一任务是很难完成的.
现有的网络管理与控制体系结构采用远程监控,逻辑管理的OSI系统管理模型.系统管理模型的核心是一对系统管理实体:Manager(管理者)和Agent(代理者),它们通过管理通信协议相互联系.Manager需要对远程被管对象进行操作时,向被管对象所在处的Agent下达操作命令,由Agent具体进行对被管对象的访问.访问结果由Agent通过通信协议报告给Manager.在大容量高速网络的管理与控制中,这一模型的问题是:①由于Agent不能主动地自治地工作,网络中要传递大量的操作命令和操作结果,造成业务量的上升;②Agent的管理需要与远程的Manager进行交互,保证不了对发生的问题进行高速实时处理. 解决这些问题的一个有效方法是采用分布式人工智能中的智能Agent来代替系统管理模型中的Manager和Agent,使得各个管理实体都自治地,主动地,实时地同时又相互协同地工作.
对于大容量的高速网络,业务量控制,路由控制,资源管理等任务也只有智能化的解决方案才是最有效的.因为高速网络的管理和控制实时性要求很高,传统的基于排队论等经典理论的解析方法无法满足这—要求,而神经网络,遗传算法等并行处理的方法却是可以应用的.另外,像故障管理,性能管理等任务用专家系统的方法是很有效的,有很多系统已经实际应用.这样的系统通过采集缓冲区队列长度,分组重传次数,传辅时延等参数,根据专家的经验进行分析,从而能够及早发现故障,对网络性能给出准确的评价.
3.网络智能信息搜索技术
随着Internet的高速发展,越来越多的人开始利用网络发布和查询信息.上网查询信息,在给人们带来便利的同时,也会有烦恼.如果没有掌握一种有效的网上信息查询方法,则常常会漫游半天空手而归.网络搜索引擎是网上信息查询的一个有力的工具,是网络信息检索的关键技术.搜索引擎对网络信息进行分类,索引和摘要.早期搜索引擎的上述工作是靠信息发布者人工完成的,即向搜索引擎进行登记,选择主题分类,提供关键词和摘要,并报告自己信息站点的地址.但是现在信息站点越来越多,相当多的站点的信息文档没有向搜索引擎登记.为了解决这个问题,人们开发了自动搜索引擎技术.
自动搜索引擎通过专门设计的网络程序自动发现网络上新出现的信息,并对其进行自动分类,自动索引和自动摘要.自动搜索引擎还能为信息检索者提供模糊检索,概念检索等功能,这些功能不是简单地匹配用户提供的检索关键词,而是能够按它们的意义进行搜索,从而提高查全率和查准率.由于自动搜索引擎的关键技术带有明显的智能特征,因此也被称为智能搜索引擎.
3.2智能计算机技术
智能计算机技术的两大内容是体系结构和人机接口.也就是说,智能计算机既要有智能化的头脑和躯干,也要有智能化的五官和四肢.
在体系结构方面,智能计算机是要试图打破冯·诺依曼式计算机的存储程序式的框架,实现类似人脑结构的计算机体系结构,以期获得自学习,自组织,自适应,分布式的并行计算的功能.目前虽然在分布式和并行处理方面取得了很大的进展,但并没有在总体上打破冯·诺依曼式计算机的体系.
然而,在智能接口方面取得的进展却是显著的.文字识别,语音识别,图像识别,语音合成,自然语言理解,机器翻译等技术已经开始实用化,成为智能计算机领域中的标志性成果.
智能接口技术的目的是使人们能够更加方便,更加自然地与计算机打交道.这样就要求计算机能够看懂文字,听懂语言,能够朗读文章,甚至能够进行不同语言之间的翻译.这些也恰恰是智能理论所要研究的基本问题.因此智能接口技术的研究既有巨大的应用价值,又有基础的理论意义,多年来一直是最活跃的研究领域,成果也最为显著.
1.文字识别
在文字识别方面,已经开发出了较高水平的OCR技术,笔输入技术和笔迹鉴别技术,OCR是光学字符读取装置的英文缩写,它通过扫描仪将印刷或书写在纸面上的文字输入到系统后进行识别.由于系统工作时,文字巳经书写完毕,因此被称为脱机文字识别,OCR又有印刷体OCR和手写体OCR之分.笔输入系统是通过专用的书写板和笔输入文字,由于一边写一边识别,也称为联机文字识别.从技术难度来讲,脱机识别比联机识别难度要大,而手写体脱机识别自然又比印刷体脱机识别的难度大.目前笔输入技术,印刷体OCR技术已经达到较高的实用化水平,而手写体OCR技术也正在向实用化迈进.从应用方面看,由于笔输入技术是掌上电脑Palm PC理想的输入手段,因此得到了比OCR更大的应用面.笔迹鉴别技术是—种特殊的文字识别技术,它的目的不是识别文字,而是识别文字书写者.相对来讲,技术难度更大一些.目前这类系统还只能为笔迹鉴别专家做一些初级的预分类工作.
2.语音识别
语音识别首先分特定人识别和非特定人识别.特定人识别是只能识别特定的某个人或某几个人的技术,而非特定人识别不限识别对象.非特定人识别通用性好,应用面广,但难度也较大.面向不同的应用,语音识别系统所要识别的词汇量是不同的.目前,小词汇量特定人语音识别技术已经达到较高的实用化水平,典型的应用是手机人名声控拨号系统.非特定人小词汇量以及特定人大词汇量这两类话音识别技术也已开始走向实用,如声控自动售票系统,特定人文稿听写系统;而非特定人大词汇量语音识别技术还远未成熟.此外,说话人鉴别技术也是一个重要的研究方向.
3图像识别
图像识别是模式识别的一个重要应用领域,目前在指纹鉴别,手语识别,面容识别,表情识别等方向正在取得进展.
4.语音合成
语音合成技术也是非常重要的智能接口技术,特别是通过文语转换技术可以让计算机朗读文章,因而受到了很大重视.这一技术有两个关键性能.一是正确,二是自然.正确是指文字的读音要正确,保证这一点的难度在于一个字常常有几个读音,到底哪个读音正确要根据组词甚至前后文来判断.例如不能将"银行"的"行"读成"xing".为保证正确性,必须先对句子进行分词.这一点西文有着得天独厚的优势.因为词与词间有空格分离,而对汉语的句子进行分词却不是简单的事.合成的语音要让人能听得懂听得舒服,还必须有较高的自然度.即读出来的文章韵律和节奏要比较准确.要做到自然,常常需要对句子进行分析和理解,知道哪儿重,哪儿轻,何时急,何时缓.可见,语音合成技术并不简单,尤其是汉话语音合成更难.语音合成技术有很高的应用价值,除了让计算机为我们朗读文章之外,模仿特定人的语音合成技术还可以让计算机模拟亲友的声音朗读他们所写的书信和文字.
5.自然语言理解
自然语言理解是指用计算机自动处理和理解自然语言.自然语言具有语法灵活,不规范,语义模糊,与语境相关性大等特点.这些特点使得用机器处理自然语言非常困难.但是,要提高信息处理的自动化和智能化水平,这一技术又是十分急需的.多年来,人们对这一课题展开了深入的研究,并已取得了一些可喜的成果.在句法分析,语义理解,语言生成等方面,提出了多种基于数理语言学的有效方法.近年来,统计语言学发展迅速,其方法不但在句法分析,语义分析,语言自动生成等方面得到了应用,而且统计语言模型的方法在语音识别中也发挥了非常重要的作用.自然语言理解在自动文摘,机器翻译等方面的应用成果也是令人瞩目的.
6.机器翻译
机器翻译是指用计算机自动实现不同语言之间的转换,如汉译英,英译汉,日译汉等等.这种技术为人们对外交流,学习国外的科学文化知识提供了极大的方便.当前,机器翻译在Internet上应用更是发挥作用,它可以当即翻译下载的外文资料,使人们真正可以通过Internet方便地了解世界.机器翻译一般要经过分析和生成两个步骤,即通过分析源语得到一个含有语法语义信息的树型中间结构;再由生成器将其转换为一个等价的基于目标语的深层结构,并把这个深层结构转换为表层结构,输出目标语.在这里,最关键的还是对源语的分析.由于汉语自动分词是一个难题,当汉语作为源语时,源语的分析工作也就比较难.因此,将汉语译成外语的机器翻译系统比将外语译成汉语的机器翻译系统更难实现.我国的机器翻泽研究近年来取得了很大的进展,英汉机器翻译系统已达到了初步实用化的水平.而汉英机器翻译系统在一些关键技术上也已取得重要突破.
3.3 智能控制技术
控制技术是在20世纪20年代逐步建立了以频域法为主的经典控制理论后发展起来的.控制技术首先在工业生产中得到了广泛的应用.在空间技术发展的推动下,50年代又出现了以状态空间法为主的现代控制理论,使控制技术得到了更大的发展,生了更多的应用领域.60年代以来,随着计算机技术的发展,许多新方法和技术进入工程化,产品化阶段.显著加快了工业技术更新的步伐.这对自动控制技术提出了新的挑战,也为其发展提供了条件,促进了智能理论在控制技术中的应用,形成了智能控制技术.
智能控制技术主要用来解决那些用传统的方法难以解决的复杂系统的控制问题,如智能机器人系统,计算机集成制造系统(CIMS),复杂的工业过程控制系统,航天航空控制系统,社会经济管理系统,交通运输系统,通信网络系统,环保与能源系统等.这些复杂系统具有以下特点:①控制对象存在严重的不确定性,控制模型未知或模型的结构和参数在很大的范围内变化;②控制对象又有高度的非线性特征;③控制任务要求复杂.例如,在智能机器人系统中,要求系统对一个复杂的任务具有自行规划和决策的能力,有自动躲避障碍达到目的地的能力.
智能控制技术通常通过智能控制系统发挥作用.为智能控制系统下一个严格的定义并不是一件容易的事.简单地说,智能控制系统是指一个具备智能行为的系统,利用人工智能的方法,它能够解决难以用数学的方法精确描述的复杂的,随机的,模糊的,柔性的控制问题,具有自学习,自适应,自组织的能力.
智能控制技术涉及到许多智能理论,主要包括:自学习,自适应,自组织理论,知识工程,信息熵理论,Petri网理论,人机系统理论,形式语言与自动机理论,大系统理沦,神经网络理论,模糊集合论,优化理论等等.
目前智能控制的基础技术包括模糊控制技术,神经网络控制技术,专家控制技术,学习控制技术,分层递阶控制技术.
1.模糊控制技术
模糊控制技术就是以模糊集合理论为基础的智能控制技术,模糊集合理论为控制技术摆脱建立精确数学模型提供了手段,使控制系统像人一样基于定性的模糊的知识进行控制决策成为可能.在模糊控制系统中,能够将人的控制经验和知识包含进来,从这个意义上说,模糊控制是一种智能控制.模糊控制既可以面向简单的被控对象,也可以用于复杂的控制过程.
2.神经网络控制技术
神经网络控制技术就是基于人工神经网络的控制技术.神经网络具有高速并行处理信息的能力,这种能力适于实时控制和动力学控制;神经网络具有很强的自适应能力和信息综合能力,这种能力适用于复杂系统,大系统和多变量系统的控制;神经网络的非线性特性适用于非线性控制.神经网络具有学习能力,能够解决那些用数学模型或规则描述难以处理的控制过程.
3.专家控制技术
专家控制技术是基于人工智能中专家系统的控制技术.专家系统是一种基于知识的系统,它主要面向各种非结构化问题,尤其能处理定性的,启发式或不确定的知识信息,经过各种推理过程到达系统的任务目标.这种控制技术能够适用于模型不充分,不精确甚至不存在的复杂过程.
4学习控制技术
学习控制技术是基于人工智能中机器学习理论的控制技术.学习的意义主要指自动获取知识,积累经验,改善知识性能.学习控制能够解决由于被控对象的非线性和建模不良所造成的不确定性问题.
5.分层递阶技术
智能控制系统除了实现传统的控制功能外,还要实现规划,决策,学习等智能功能.因此智能控制往往需要将智能的控制方法与常规的控制方法加以有机的结合.分层递阶控制是实现这一目的的有效方法.在分层递阶控制中,上层的作用主要是模仿人的行为功能,因而主要是基于知识的系统.它所实现的规划,决策,学习,数据的存取,任务的协调等,主要是对知识进行处理.下层的作用是执行具体的控制任务,主要是进行数值操作和计算.
智能控制技术有着广阔的应用领域,包括智能机器人控制,智能过程规划与控制,专家控制,智能调度,语音控制,康复智能控制器等.
20世纪70年代,机器人技术发展成为—个专门的学科.各种卓有成效的工业机器人实用范例,促成了机器人应用领域的进—步扩大,出现了各种结构的机器人样机.随着大规模集成电路的不断进步,以及微型计算机的普遍应用,特别是人工智能理论与技术的发展,机器人的控制智能化水平得到了大幅度的提高.
一般将机器人的发展分为3个阶段.第1阶段的机器人只有"手",以固定程序工作,不具有外界信息的反馈能力;第2阶段的机器人具有对外界信息的反馈能力,即有了感觉,如力觉,触觉,视觉等;第3阶段,即所谓"智能机器人"阶段,机器人已经具有了自主性,有自行学习,推理,决策,规划等能力.
为了能够在环境中自主活动〔控制〕,智能机器人应当具有感知能力,包括视觉,听觉,触觉,味觉等等.而且在一些应用环境中,还应当有与环境的对话能力.近年来,这方面的研究已经取得了显著的进展,特别是在视觉方面的某些能力,已经接近了人眼的水平.
智能机器人已经在工业,空间,海洋,军事,医疗等众多领域得到了实际应用,并已经取得了巨大的效益.
工业机器人主要有装配机器人,搬运机器人,弧焊机器人,喷漆机器人.这些机器人在汽车,电子,电器以及核工业中发挥了远超过人的作用.空间机器人主要从事3个方面的工作:空间建筑和装配,卫星扣其他航天器的维护和修理,以及空间生产和科学实验.海洋机器人主要用于海洋开发,打捞,扫雷,侦察,援潜救生等.如机器人在北大西详海底找到"泰坦尼克"号巨轮的事件轰功了全球.我国863计划项目6000m水下机器人的研制成功,为我国勘探海底资源,进行海底科学研究提供了有力的武器.军用机器人是指那些执行军事任务的机器人,如扫雷机器人,排爆机器人,消防机器人,哨兵机器人,侦察机器人,反坦克机器人等.在医疗方面,微型机器人可以作毫米级视网膜手术,接通神经,在血管中穿行,在脏器内进行病理检查等.
第5部分 CAD/CAM技术
第一节 CAD/CAM技术的基本概念
一,CAD,CAPP,CAM的基本概念
计算机的出现和发展,实现了将人类从繁琐的脑力劳动中解放出来的愿望.早在30—40年前,计算机就已作为重要的工具,辅助人类承担一些单调,重复的劳动,如辅助数控编程,工程图样绘制等.在此基础上逐渐出现了计算机辅助设计(CAD),计算机辅助工艺规程设计(CAPP)及计算机辅助制造(CAM)等概念.
计算机辅助设计(Computer Aided Design, CAD)是指工程技术人员在人和计算机组成的系统中以计算机为辅助工具,完成产品的设计,分析,绘图等工作,并达到提高产品设计质量,缩短产品开发周期,降低产品成本的目的.一般认为CAD系统的功能包括:①草图设计;②零件设计:③装配设计;④复杂曲面设计;⑤工程图样绘制;⑥工程分析;⑦真实感及渲染;⑧数据交换接口等.
计算机辅助工艺过程设计(Computer Aided Process Planning, CAPP)是指在人和计算机组成的系统中,根据产品设计阶段给出的信息,人机交互地或自动地确定产品加工方法和工艺过程.一般认为CAPP的功能包括:①毛坯设计;②加工方法选择;③工艺路线制定;④工序设计;⑤刀夹具设计等.其中工序设计又包含机床和刀具选择,切削用量选择,加工余量分配以及工时定额计算等.
计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing,CAM)有广义和狭义两种定义.广义CAM一般是指利用计算机辅助完成从生产准备到产品制造整个过程的活动,包括工艺过程设计,工装设计,NC自动编程,生产作业计划,生产控制,质量控制等.狭义CAM通常是指NC程序编制,包括刀具路径规划,刀位文件生成,刀具轨迹仿真及NC代码生成等.本部分采用狭义定义方法.
二,CAD/CAPP/CAM集成概念的提出
近40年来,CAD,CAPP,CAM技术获得了飞速发展.CAD,CAM的概念是在50年代末60年代初,由美国麻省理工学院的D.T.Ross教授在APT程序系统的发展基础上形成的.APT〔Automatically Programmed Tools〕语言是通过对刀具轨迹的描述来实现计算机辅助自动数控编程的系统.在发展这一程序系统的同时,人们就提出了一种设想:能否不描述刀具轨迹,而是自接描述被加工工件的尺寸和形状 由此产生了人机协同设计,加工的设想,并开始了计算机图形学的研究.1963年,年仅24岁的麻省理工学院的研究生I. E. Sutherland在美国的计算机联合大会上(SJCC)宣读了他的题为"人机对话图形通信系统"的博士论文.由他推出的二维SKETCHPAD系统,允许设计者坐在图形显示器前操作光笔和键盘,在荧光屏上显示图形.这一研究成果具有划时代的意义,促进了计算机辅助设计和辅助制造的发展.同年,第一个被工业界发展的系统DAC-1(Design Augmented by Computers)也在通用汽车公司问世,并且IBM公司发展了2250系列的显示装置.这些研究在今天看来是很粗糙和不完善的.尽管如此,它却大大推动了人们对CAD,CAM的关注和兴趣.首先做出响应的是英国的汽车工业,然后英国,日本,意大利等国的汽车公司也开始了实际应用,并逐步扩展到其它部门.
从60年代中期到70年代中期,针对某个特定领域的CAD系统蓬勃发展,出现了主要以自动绘图为目的的配套CAD系统(Turnkey System).所谓配套CAD系统一般是由16位小型计算机,数字化仪,显示装置,绘图机等硬件组成,并与软件配套出售的自动绘图系统.使用时操作者拧开开关就可使用,因此很容易掌握.与此同时,为适应设计和加工任务的要求,三维几何处理软件也相继发展.
自70年代中期以来,计算机的应用日益广泛,几乎深入到生产过程的所有领域,并形成了很多计算机辅助的分散系统.如果不考虑企业行政管理方面的因素,这些分散系统是:①计算机辅助生产计划与控制(PPS);②计算机辅助产品设计(CAD);③计算机辅助工种分析(CAE);④计算机辅助工艺过程设计(CAPP);⑤计算机辅助制造(CAM);⑥计算机辅助质量管理(CAQ);⑦计算机辅助夹具设计(CAFD)等.
这些独立的分散系统,分别在产品设计自动化,工艺过程设计自动化和数控编程自动化等方向起到了重要作用.但是,采用这些各自独立的分散系统不能实现系统之间信息的自动传递和交换.例如CAD系统设计的结果不能直接为CAPP系统接受,若进行工艺过程设计时,还需要人工将CAD输出的图样文档等信息转换成CAPP系统所需要的输入数据,这不但影响了效率的提高,而且在人工转换中难免发生错误.所以,随着计算机日益广泛深入的应用,人们很快认识到,只有当CAD系统一次性输入的信息能为后续环节(如CAPP,CAM)继续应用时才是最经济的.为此,提出了CAD/CAPP/CAM集成的概念,并首先致力于CAD,CAPP利CAM系统之间数据自动传递和转换的研究,以便将业已存在和使用的CAD,CAPP,CAM系统集成起来.目前,这一技术已达到实用化水平.
利用数据传递和转换技术实现CAD与CAPP,CAM集成的基本工作步骤如下:①CAD设计产品结构,绘制产品图样,为CAPP,CAM过程准备数据;②经数据转换接口,将产品数据转换成中性文件(如IGES,STEP文件);③CAPP系统读入中性文件,并将其转换为系统所需格式后生成零件工艺过程;④CAD,CAPP系统生成数控编程所需数据,并按一定标准转换成相应的中性文件;⑤CAM系统读入中性文件,并将其转换为本系统所需格式后生成数控程序.这样所形成的集成系统表达为CAD/CAPP/CAM,也可简写为CAD/CAM.
随着信息技术的不断发展,为使企业产生更大效益,又有人提出要把企业内所有的分散系统集成.这一设想不仅包括生产信息,也包括生产管理过程所需全部信息,从而构成一个计算机集成的制造系统(CIMS——Computer Integrated Manufacturing System).计算机集成制造系统的核心技术是CAD/CAM技术.
第二节 CAD/CAM系统结构
一,产品生产过程与CAD/CAM过程链
产品是市场竞争的核心.对于产品有不同的定义和理解.首先从生产的观点来看,产品是从需求分析开始,经过设计过程,制造过程最后变成可供用户使用的成品,这一总过程也称为产品生产过程,产品生产过程具体包括产品设计,工艺设计,加工,装配过程.每一过程又划分为若干个阶段,例如产品设计过程可分为任务规划,概念设计,结构设计,施工设计4个阶段;工艺设计过程可划分为毛坯及定位形式确定,工艺路线设计,工序设计,刀具,夹具,量具设计等阶段;加工,装配过程可划分为NC编程,加工过程仿真,NC加工 ,检测,装配,调试等阶段(见图2-1).
-1 产品生产过程及CAD/CAM过程链
在上述各过程,阶段内,计算机获得不同程度的应用,并形成了相应的CAD/CAPP/CAM过程链.按顺序生产观点,这是一个串形的过程链,但按并行工程的观点考虑到信息反馈,这也是—个交叉,并行的过程.
另外,从市场变化的观点来看,产品又可以分为投入期,成长期,成熟期,饱和期和淘汰期,这是产品的生命周期.同时,从产品生命阶段整体考虑,还应包括有关产品的研究阶段及市场超前的研究,所以产品的生命周期可分为产品研究,产品规划,产品设计,产品试制,产品制造,产品销售,产品使用及产品报废,回收等阶段.随着计算机应用领域的日益扩大,当前不仅从事生产过程建模的研究,而且还面对产品的整个生命周期.从事产品生命周期建模研究,以便从根本上解决产品在设计,生产,组织管理,销售,服务等各个环节内,产品数据的交换和共享问题.
二,CAD/CAM系统组成
系统是指为一个共同目标组织在一起的相互联系部分的组合.一个完善的CAD/CAM系统应具有如下功能:①快速数字计算及图形处理能力;②大量数据,知识的存储及快速检索,操作能力;③人机交互通信的功能;④输入,输出信息及图形的能力.为实现这些功能,CAD/CAM系统应由人,硬件,软件三大部分组成.其中电子计算机及其外围设备称为CAD/CAM系统的硬件;操作系统,数据库,应用软件称作CAD/CAM系统的软件.不言而喻,人在CAD/CAM系统中起主导作用.
由人,硬件,软件组成的CAD/CAM系统,将实现设计和制造各功能模块之间的信息的传输和存储,并对各功能模块运行进行管理和控制. 一般其总体结构-2所示.
用 户 界 面
应 用 系 统
CAD
CAPP
CAM
…
数 据 库
操作系统,网络系统
计 算 机 硬 件
-2 CAD/CAM系统总体结构
从图2-2中的结构可见,CAD/CAM系统是建立在计算机系统上,并在操作系统,网络系统及数据库的支持下运行的软件系统.用户通过用户界面操作,控制CAD/CAM系统的运行.近几年来,如何使CAD/CAM系统具有一个良好的,直观的,易学易用的用户界面,已成为CAD/CAM系统追求的目标之一.因为它直接关系到系统运行的效率及推广应用的可能性问题.为满足高质量用户界面的需求,自80年代中期起,开始研究窗口管理系统.窗口是一种多任务编程的屏幕显示和人机界面技术,目前国际上著名的窗口管理系统有麻省理工学院(MIT)开发的X-Windows和Microsoft公司开发的MS-Windows,它们在工作站和微机上都获得广泛应用,已成为事实上的CAD/CAM应用软件的标准界面.
三,CAD/CAM系统集成方案
CAD/CAM系统的集成有信息集成,过程集成,功能集成,目前的CAD/CAM系统大多都停留在信息集成基础上.因此一般的CAD/CAM集成指的是把CAD,CAE,CAPP,CAFD,CAM等各种功能软件有机结合在一起,用统一的执行程序来控制和组织各功能软件信息的提取,转换和共享,从而达到系统内信息的畅通和系统协调运行的目的.
CAD/CAM系统集成的关键是信息的交换和共享.根据信息交换方式和共享程度的不同,CAD/CAM系统的集成方案主要有以下4种:
1.通过专用数据接口实现集成
-3 专用数据接口
这是一种初级的文件传输的集成方式.利用这种方式实现集成时,各子系统都是在各自独立的数据模式下工作,-3所示.当A系统需要B系统的数据时,需要设计一个专用的接口文件将B系统的数据格式直接转换成A系统的数据格式,反之亦然.
这种集成方式原理简单,运行效率较高,但开发的专用数据接口无通用性,不同的CAD,CAPP,CAM系统要开发不同的接口.且当其中一个数据结构发生变化时,与之相关的所有接口程序都要修改.
2. 利用标准格式接口文件实现集成
这种集成方式的思路是建立一个与各子系统无关的公共接口文件(见图2-4),当某一系统数据结构发生变化时只需修改此系统的前,后置处理程序即可.这种集成的关键是建立公共的标准格式文件,目前世界上已研制出多种公共标准格式,其中典型的有IGES,STEP等.一般CAD/CAM应用软件都提供了它们符合标准格式的前,后置处理器,故用户不必自行开发.
-4 标准格式数据接口
3.基于统一产品模型和数据库的集成
这是一种将CAD,CAPP,CAM作为一个整体来规划和开发,从而实现系统高度集成和共享的方案.图1-5为一CAD/CAPP/CAM集成系统框架图.从图2-5中可见,集成产品模型是实现集成的核心,统一工程数据库是实现集成的基础.各功能模块通过公共数据库及统一的数据库管理系统实现数据的交换与共享,从而避免了数据文件格式的转化,消除了数据冗余,保证了数据一致性,安全性和可靠性.
4.基于产品数据管理(PDM)的系统集成
-5 基于统一产品模型和数据库集成的框架图
PDM技术是以产品数据的管理为核心,通过计算机网络和数据库技术,把企业生产过程中所有与产品相关的信息和过程集成管理的技术;与产品相关的信息包括开发计划,产品模型,工程图样,技术规范,工艺文件,数控代码等,与产品相关的过程包括设计,加工制造,计划调度,装配,检测等工作流程及过程处理程序.基于PDM的系统集成是指集数据库管理,网络通信能力和过程控制能力于一体,将多种功能软件集成在一个统一平台上,它不仅能实现分布式环境中产品数据的统一管理,同时还能为人与系统的集成及并行工程的实施提供支持环境,它可以保证正确的信息,在正确的时刻传递给正确的人.图2-6为基于PDM的集成系统体系结构.其中系统集成层即PDM核心层,向上提供CAD/CAPP/CAM的集成平台,把与产品有关的信息集成管理起来;向下提供对异构网络和异构数据库的接口,实现数据跨平台传输与分布处理.由图2-6可见,PDM可在更大程度和范围内实现企业内信息共享.
-6 基于PDM的集成系统体系结构
第三节 CAD/CAM系统的应用和发展
一,CAD/CAM技术在工业中的应用
从60年代初第一个CAD系统问世以来,经过30多年的发展,CAD/CAM系统在技术上,应用上已日趋成熟.尤其进入80年代以后,由于硬件技术的飞速发展,使之软件在系统中占有越来越中要地位.作为商品化的CAD/CAM软件,如美国SDRC公司的I-DEAS,美国Computer Vision公司的CADDS5,美国EDS公司的UG II,美国PTC公司的PRO/Engineer,法国MATRA公司的Euclid,以及数据库管理软件Oracle等大量投入市场.目前CAD/CAM软件已发展成为一个受人瞩目的高技术产业,并广泛应用于机械,电子,航空,航天,船舶,汽车,纺织,轻工,建筑等行业.据统计,美国100%的大型汽车业,60%的电子行业,40%的建筑行业都采用CAD/CAM技术,例如美国的波音777客机已100%实现数字化三维实体设计.实现了无图纸制造.
我国的CAD/CAM技术在"七五""八五"期间也取得了可喜成绩.在"七五"期间,国家支持对24个重点机械产品进行了CAD的开发研制工作,为我国CAD/CAM技术的发展奠定了—定的基础.另外,通过国家科委实施的863计划中的CIMS主题,也促进了CAD/CAM技术的研究和发展.尤其是机械行业自1995年以来,相继开展了"CAD应用1215工程"和"CAD应用1550工程",前者是树立12家"甩图板"的CAD应用典型企业,后者是培育50~100家CAD/CAM应用的示范企业,扶持500家,继而带动5000家企业的计划.另外,近几年来市场上己开始出现拥有自己版权的CAD软件,如清华大学的高华CAD软件,华中理工大学的开目CAD等,CAD/CAM的应用日益广泛.但总体上我国CAD/CAM的研究应用与工业发达国家相比还有较大差距.主要表现在;①CAD/CAM的应用集成化程度较低,很多企业的应用仍停留在绘图,NC编程等单项技术的应用上.②CAD/CAM系统的软,硬件均依靠进口,自主版权的软件较少.③缺少设备和技术力量,有些企业尽管引进CAD/CAM系统,但其功能没能充分发挥.
随着市场竞争的日益激烈,用户对产品的质量,成本,上市时间提出了越来越高的要求.事实证明,CAD/CAM技术是加快产品更新换代,增强企业竞争能力的最有效手段,同时也是实施先进制造和CIMS的关键和核心技术.目前,CAD/CAM技术应用已成为衡量一个国家工业现代化水平的重要标志.因此,我们应抓紧实际结合国情,积极开展CAD/CAM的研究和推广工作,提高企业竞争能力,加速企业现代化的进程.
二,CAD/CAM技术的发展趋势
CAD/CAM技术还在发展之中,发展的主要趋势是集成化,智能化,并行化,网络化和标准化.具体说来主要体现在如下几个方向上:
1. 计算机集成制造(CIM)
CIM(Computer Integrated Manufacturing)是CAD/CAM集成技术发展的必然趋势.CIM的最终目标是以企业为对象,借助计算机和信息技术,使生产中各部分从经营决策,产品开发,生产准备到生产实施及销售过程中,有关人,技术,经营管理三要素及其形成的信息流,物流和价值流有机集成并优化远行,从而达到产品上市快,高质,低耗,服务好,环境清洁,使企业赢得市场竞争的目的.CIMS是一种基于CIM哲理构成的计算机化,信息化,智能化,集成化的制造系统.它适应多品种,小批量市场需求,可有效地缩短生产周期,强化人,生产和经营管理联系,减少在制品.压缩流动资金,提高企业的整体效益.所以,CIMS是未来工厂自动化的发展方向.然而由于CIMS是投资大,建设周期长的项目,因此不能—揽子求全,应总体规划,分步实施.分步实施的第一步是CAD/CAM集成的实现.
2. 智能化CAD/CAM系统
机械设计是一项创造性活动,在这一活动过程中,很多工作是非数据,非算法的.所以,随着CAD/CAM技术的发展,除了集成化之外,将人工智能技术,专家系统应用于系统中,形成智能的CAD/CAM系统,使其具有人类专家的经验和知识,具有学习,推理,联想和判断功能及智能化的视觉,听觉,语言能力,从而解决那些以前必须由人类专家才能解决的概念设计问题.这是一个具有巨大潜在意义的发展方向,它可以在更高的创造性思维活动层次上,给予设计人员有效的辅助.
另外,智能化和集成化两者之间存在密切联系.为了能自动生成制造过程所需的信息,必须理解设计师的意图和构思.从这意义上讲,为实现系统集成,智能化是不可缺少的研究方向.
3.并行工程
并行工程(Concurrent Engineering)是随着CAD/CAM,CIMS技术发展提出的一种新哲理,新的系统工程方法.这种方法的思路,就是并行的,集成的设计产品及其开发的过程,它要求产品开发人员在设计的阶段就考虑产品整个生命周期的所有要求,包括质量,成本,进度,用户要求等,以便最大限度地提高产品开发效率及一次成功率.并行工程的关键是用并行设计方法代替串行设计方法,图3-1为两种方法示意图.由图3-1可见,在顺序法中信息流向是单向的,在并行法中,信息流向是双向的.
随着市场竞争的日益激烈,并行工程必将引起越来越多的重视.但其实施也决非一朝一夕的事情,目前应为并行工程的实现创造条件和环境.其中,与CAD/CAM技术发展密切相关的有如下几项要求:①研究特征建模技术,发展新的设计理论和方法;②开展制造仿真软件及虚拟制造技术的研究,提供支持并行工程运行的工具和条件;③探索新的工艺过程设计方法,适应可制造性设计(DFM)的要求;④借助网络及统一DBMS技术,建立并行工程中数据共享的环境;⑤提供多学科开发小组的协同工作环境,充分发挥人在并行工程中的作用.以上要求将极大地促进CAD/CAPP/CAM技术的变革和发展.
-1 两种开发方法示意图
a)顺序法 b)并行法
4.分布式网络化
自90年代以来,计算机网络巳成为计算机发展进入新时代的标志.所谓计算机网络,就是用通信线路和通信设备将分散在不同地点的多台计算机,按一定网络拓扑结构连接起来.这些功能使独立的计算机按照网络协议进行通信,实现资源共享.由于CAD/CAPP/CAM技术日趋成熟,可应用于越来越大的项目.这类项目往往不是一个人,而是多个人,多个企业在多台计算机上协同完成,所以分布式计算机系统非常适用于CAD/CAPP/CAM的作业方式.同时,随着Internet网的发展,可针对某一特定产品,将分散在不同地区的现有智力资源和生产设备资源迅速组合,建立动态联盟的制造体系,以适应全球化制造的发展趋势.
第四节 CAD/CAM系统概述
一,CAD/CAM系统的组成
CAD/CAM系统由一系列的硬件和软件组成.硬件主要指计算机及各种配套设备,如各种档次的计算机,打印机,绘图机等,广义上说,硬件还应包括用于数控加工的各种机械设备等.软件一般包括系统软件,支撑软件和应用软件等.图4-1为CAD/CAM系统组成简图.
根据系统功能要求不同,硬件和软件的配置可以有多种方案.规模也有大有小.例如,根据所采用的计算机类型,CAD/CAM系统可以分为大型机系统,小型机系统,由工作站组成的系统及由PC机组成的系统;根据系统功能,也可以分为通用系统及专用系统.
图4-1 CAD/CAM系统的基本组成
二,CAD/CAM系统应具备的基本功能
比较完善的CAD/CAM系统,应该能够基本完成从产品设计到制造全过程中的各项工作,一般来说,CAD/CAM系统应具有如下主要功能:
(1)交互图形输入及输出功能 用于基本的产品结构设计等任务.
(2)几何建模功能 包括实体建模,线框建模及自由曲面建模等,它是CAD/CAM系统几何处理的核心,提供有关产品设计的各种数据,是后续作业处理的基础.
(3)物性计算及工程分析功能 根据几何建模的基本参数,对产品进行工程分析和数值计算,其中最常用的是有限元分析和优化处理功能.
(4)处理数控加工信息的功能 用于自动编程,动态仿真及多坐标数控加工控制等.
(5)数据管理功能 用于处理产品设计过程中的全部信息,实现工程数据信息的共享.
三,CAD/CAM系统的选型及配置
由于企业技术水平及生产能力不同,在CAD/CAM技术应用上分为多种情况.有些大型企业全面采用了功能比较完善的CAD/CAM系统,有些企业则是采用了适合某种产品的功能有限的CAD/CAM系统,还有一些企业采用了仅以CAD为主的系统.
随着软件及硬件的发展,特别是计算机网络技术的出现,CAD/CAM系统正在向集成化,智能化,标准化和网络化发展.由于CAD/CAM系统投资相对较大,如何科学,合理地选择适合本企业的系统,必须经过详细的考查与分析.一般要进行如下考虑;
1)根据本企业的特点,规模,追求目标及发展趋势等因素,确定应具有的系统功能.
2)从整个产品设计周期中各个进程的工作要求出发,考核拟选用的系统各模块的功能,包括其开放性和集成性等特点.然后,根据性能价格比选择合适的硬件环境与软件环境.
3)考虑如何使用,管理该系统,使其发挥应有的作用,真正为企业创造良好的效益.
由于计算机技术发展迅速,软硬件产品的更新周期很短,所以在组建CAD/CAM系统时,应采取在总体现划指导下,先构建系统的基本部分,然后再逐步扩大的策略.对于资金尚不充足或者CAD/CAM基础薄弱的单位,可先选择效益比较显著的普及性应用,例如,从CAD绘图开始,待条件成熟时再考虑CAD/CAM系统的完善.对那些已具有相当规模的大型企业来说,只有采用先进的CAD/CAM技术,才能在产品设计与创新,产品制造及投放市场速度等方面取得优势,在激烈的市场竞争中求得发展.
四,CAD/CAM系统的工作方式
从使用上说,各种类型的CAD/CAM系统基本都采用人机交互方式工作,区别在于系统的功能,完善程度及自动化水平不同.其中操作者起着主导作用,他们通过人机对话方式,在计算机上实现CAD/CAM中的各种过程.对于大型CAD/CAM系统,包括设计计算,实体建模,有限元分析,动态仿真,NC编程等;对于一般的CAD/CAM系统,则可能只包括设计计算及二维绘图等.各个操作过程的结果都以图形和数据的形式显示在计算机屏幕上,供设计者观察判断,以确定是否合格或如何进行修改.
作为CAD/CAM系统的使用者,应该具有相关的专业知识,要对系统功能有充分的了解和掌握,另外也要对系统运行环境很好地了解.只有把硬件,软件及操作者有机结合起来,才能有效地发挥一个成熟的CAD/CAM系统的作用.
第五节 CAD/CAM系统的硬件
一,概述
CAD/CAM系统的硬件是由主机及其所属外围设备组成,CAD/CAM系统对硬件的主要要求为:
1. 强大的图形处理和人机交互功能
在CAD/CAM系统的信息处理中,几何图形信息处理占较大比重,一般都配有大型图形软件.为满足图形处理和显示的需要,CAD/CAM系统要求计算机具有大内存,快速及高分辨率显示等特点.另外,CAD/CAM系统的工作经常需要多次修改及人工参与决策才能完成,要求计算机具有方便的人机交互渠道与较快的响应速度.
2.需要有相当大的外存容量
由于面向对象,可视化及多媒体技术的应用,用于CAD/CAM系统的各类软件一般都需要几十兆至几百兆以上的存储及工作空间,而用户开发的图形库,数据库及各类文档等则需要更大的硬盘资源.
3.良好的通信联网功能
为达到系统的集成,使位于不同地点和不同生产阶段的各部门能够进行信息交换及协同工作,需要计算机网络将其连接起来,通过网络技术应用,形成网络化CAD/CAM系统.
在选择CAD/CAM系统硬件时,首先要考虑能满足当前所需要的系统功能,其次还要考虑系统今后发展的可扩充性,一般应选择符合公认标准的开放式系统.
计算机硬件系统的基本配置如图5-1所示,其中I/O(输入/输出)设备一般包括外存储器,显示器,键盘,鼠标,打印机,绘图机,扫描仪等及网络通信设备等.
图5-1 计算机硬件系统基本配置
二,数字化仪
数字化仪(Digitizer)是由一块尺寸为A4~A0的图板和一个类似于鼠标器的定位器或触笔组成的.人们常把小型(A3,A4)数字化仪叫图形输入板(tablet).数字化仪用于输入图形,跟踪控制光标及选择菜单,大规格的数字化仪常用于将已有图样输入计算机.
工作时,将图样贴在数字仪的面板上,用定位器或触笔跟踪图形的特征点,使这些点的位置数字化后输入计算机,再结合绘图指令,这份图样就可以存入计算机.
在小型数字化仪面板上,有菜单区和绘图区等若干区域.菜单区有许多预定义小方块区域,每一小块区域代表某一功能,只要定位器或触笔在此小方块内用拾取键,便可控制计算机执行相应操作.当定位器或触笔在绘图区时,屏幕自动转换为图形状态,光标随定位器或触笔运动.根据菜单上绘图指令和点的坐标值,可以在屏幕上绘出所要求的图形.
数字化仪的主要技术指标是分辨率和精度.分辨率指数字化仪所能检测到的最小移动量,一般用每英寸能识别的点数或线数表示,一般可达到每英寸几千线,但实际使用时只能精确到百分之一英寸左右.精度指位置识别的准确度,一般可达到+0.125mm以上.数字化仪通常与计算机的串行端口连接.
三,扫描仪
扫描仪(Scanner)通过光电阅读装置,可快速将整张图样信息转化为数字信息输入计算机,是很有发展前途的图形输入设备.近几年来,国内外CAD/CAM用户十分重视用扫描仪将工程图样自动输人计算机并进行识别技术的应用和研究.将扫描输入与光盘存储技术结合起来,可以方便地实现图样的技术档案管理,代替目前占用大量空间和人力的技术文档管理.通过扫描图形识别技术,可将人工绘制的图样转换为CAD系统中的图样,但扫描与识别方面的相关技术目前尚不够成熟.
扫描仪一般有大型和小型两种,大型通常为单色扫描输入,主要用于工程图样信息的录入;小型通常为彩色扫描输入,主要用于彩色图形和图像的录入.目前,中等水平的扫描仪光学分辨率已达600X1200dpi以上.小型扫描仪价格较低,适合与微机配合工作,很受欢迎,另外,大型彩色扫描仪已经投入市场.
四,数码相机
数码相机即所谓的数字式照相机,这种新出现的设备为计算机真实图像输入提供了更为有效的手段.数码相机采用光电装置将光学图像转换成数字图像,然后存储在磁性存储介质中,并且可以直接连接输入到计算机中进行显示和编辑修改处理.
五,其它输入设备
除以上介绍的各种输入设备外,触摸屏也是一种很有特点的输入设备,它能对物体触摸位置产生反应,当人的手指或其它物体触到屏幕不同位置时,计算机能接收到触摸信号并按照软件要求进行响应处理.声音交互输入是另一种很有发展前景的多媒体输入手段,近年来,语音输入识别技术研究已取得一些突破性的进展,并已出现商品化软件.作为—种新的信息输入手段,声音输入正逐步走向市场并为人们所使用.
六,喷墨绘图机
喷墨绘图技术是利用特制的换能器将带电的墨水泵出,由聚焦系统将墨水滴微粒聚成一条射线,再由偏转系统控制喷嘴在打印纸上扫描,并附着在图纸上形成浓谈不一的各种单色或彩色图形,图像及文字符号.它具有清晰度高,工作可靠,噪声小,价格低及容易实现不同浓淡的彩色图形与图像等优点.小型喷墨绘图机常用于输出小张图形和文稿,又称喷墨打印机.大型喷墨绘图机可用于输出设计图样,一般有平板式与滚筒式两种.喷墨绘图机也有单色型与彩色型.喷墨绘图机绘图速度比笔式绘图机快,但其耗材成本较高.喷墨打印机主要技术指标与激光打印机相似,打印速度一般为3~7页/min,分辨率一般为300~600dpi.
七,笔式绘图机
笔式绘图机,一般也分平板式与滚筒式两种.小型笔式绘图机多为平板式的,常用的是A3幅面,大型笔式绘图机一般是滚筒式的.绘图时,通过控制笔和纸的相对运动及抬笔,落笔实现图形的绘制.
平板式绘图机工作时,图纸固定,由绘图笔作X,Y方向的运动而绘制各种图形,它有A4~A0多种规格;滚筒式绘图机工作时,图样沿滚筒轴线的垂直方向移动,绘图笔沿滚筒轴线方向移动,由这两个运动的合成而实现图形的绘制,一般有A1和A0两种规格,可绘制加长幅面的图样.滚筒式绘图机相对平板式绘图机来说,价格低,占地面积小.
第六节 CAD/CAM系统的软件
一,概述
计算机软件是指与计算机系统操作使用有关的程序,规程及相关文档资料等的总和,亦可简单理解为各种程序及其相关数据的总称.程序是指挥硬件工作的指令的集合,是软件的主要内容,相关的文档如系统设计说明书,使用说明书等也是很重要的内容,在软件开发和维护中,文档的设计与编制在很大程度上决定了软件的质量,只有具备了合格,完整的文档资料,软件才可以作为商品流通,为用户所使用.
在CAD/CAM系统中,根据执行任务和编写对象的不同,软件可分为系统软件,支撑软件及专业性应用软件三类.系统软件主要负责管理硬件资源及各种软件资源,它面向所有用户,是计算机的公共性底层管理软件,即系统开发平台;支撑软件运行在系统软件之上,是实现CAD/CAM各种功能的通用性应用基础软件,是CAD/CAM系统专业性应用软件的开发平台;专业性应用软件则是根据用户具体要求,在支撑软件基础上经过二次开发的专用软件.CAD/CAM软件系统层次关系如图6.1所示.
图6-1 CAD/CAM软件系统层次结构关系
系统软件是指直接配合硬件并对其它软件起支撑作用的软件,一般包括操作系统,窗口系统,网络管理系统等.系统软件大都是由计算机制造商或软件公司开发,并作为商品软件出售,如目前流行的Windows 98,Windows NT等系统软件.
二,窗口系统
1. 窗口系统基本慨念
窗口系统是以图形界面为应用特征的用户接口系统,在窗口系统环境下,应用程序处理信息的整体是一个窗口.直观上看,窗口是图形显示器上的矩形区域,是显示运行结果和接受用户输入的区域;从程序结构来分析,窗口相当于一个应用程序信息处理单元.
在窗口系统中,窗口的定义包括了描述窗口特征的数据和处理改变窗口显示信息的窗口函数,它相当于面向对象编程方式中的一个对象.
窗口系统为用户提供了一致,友好的操作环境,使窗口应用程序使用方便,易于掌握.同时,窗口系统也为程序开发者提供了许多具有多种功能的子程序库,允许开发者用"与设备无关"的方式与显示器,键盘及鼠标器等设备联系,从而可加快开发过程.有时,把所采用的操作系统和窗口系统结合在一起称为开发平台或运行环境.
窗口系统具有两大基本特点,即基于面向对象的程序设计风格和事件驱动方式.窗口系统是多任务运行,事件驱动.用户的输入如按键盘或移动鼠标是主要事件,根据这些事件执行对应的程序模块,激活相应的窗口,事件处理完成后,又返回等待状态.
2. X-Window
X-Window最早是MIT研制的一个可移植的网络透明的窗口系统,能够在不同体系结构或不同操作系统的机器上运行,并充分发挥网络的作用,是一个可以在分布式网络环境下工作的多任务多窗口系统.X窗口系统已得到世界上多数计算机厂家的承认,远行在X窗口系统上的应用软件也层出不穷.
X窗口系统采用客户/服务器工作模式.客户和服务器都是软件程序,客户是执行特定任务的程序,服务器是提供多窗口服务并跟踪用户输入的程序.X窗口系统允许客户程序在同一台机器或由网络连接的不同机器上运行.
X窗口系统的XLIB库含有数百个子程序,提供了窗口生成,撤消,显示,事件处理,绘图等多种功能.X窗口系统提供的X Toolkit则是具有更高抽象功能的程序库,它们是由XLIB子程序构成的.当用户应用程序连接了所需的XLIB子程序,X窗口系统在运行中就会生成相应的协议请求,并将请求送到服务器程序,以便执行.
X窗口系统是一个协议性标准,在具体系统中,它可以有不同的用户界面风格,其典型产品有OSF的Motif和Sun及AT&T的Open Look等.
目前,X窗口与UNIX操作系统结合在一起,是工程工作站最流行的软件开发平台和运行环境.
三,CAD/CAM系统的支撑软件
(一)概述
CAD/CAM系统的支撑软件主要指那些直接支撑用户进行CAD/CAM工作的通用性功能软件,一般可分为集成型和单一功能型.集成型CAD/CAM系统的支撑软件提供了设计,分析,造型,数控编码及加工控制等多种模块,功能比较完备,如美国PTC公司的Pro/Engineer,EDS公司的UG,SDRC公司的I-DEAS,洛克希德公司的CADAM,法国Dassault System公司的CATIA等系统;单一功能型支撑软件只提供用于实现CAD/CAM中某些典型过程的功能,如SolidWorks系统只是完整的桌面CAD机械设计系统,ANSYS主要用于分析计算,ORACLE则是专用的数据库系统.
CAD/CAM系统的支撑软件通常都是已商品化的软件,一般由专门的软件公司开发.用户在组建CAD/CAM时,要根据使用要求来选购配套的支撑软件,形成相应的应用开发环境,既可以以某个集成型系统为主来实现,也可以选取多个单一功能支撑软件的组合来实现,在此基础上进行专用应用程序的开发,以实现既定的CAD/CAM系统的功能.
下面按功能简单介绍一下CAD/CAM系统中常用支撑软件的特点:
1.图形支撑软件
在常规的设计工作中,60%以上的设计工作量是设计绘图,而工程CAD最普及的应用就是计算机辅助绘图,所以,图形支撑软件是CAD/CAM系统中最基本的支撑软件包.目前,国内常用的商品化的图形支撑软件,在微机上采用的典型产品是美国Autodesk公司的AutoCAD以及国内自主开发的PICAD,开目CAD,InteCAD等.这些软件以工程设计图样的生成和绘制为主要应用目标,具有图形功能强,操作方便,开放性好等优点.
2.三维造型软件
建立统一的产品模型,获得统一的产品定义,是实现CAD/CAM一体化的基础.通过三维实体造型软件,可以建立产品完整的几何描述及特征描述,并能随时提取所需要的信息,支持CAD/CAM全过程中的各个环节工作,比如,为有限元分析或CAPP提供相关数据等,从而实现系统的集成.
三维造型软件一般包括几何建模,特征建模,物性计算(如质量,重心计算),真实感图形显示,干涉检查,二维图及二维剖面图生成等功能.
产品建模技术是CAD/CAM一体化的关键,传统的几何建模着眼于几何信息,难以提供公差,表面粗糙度,材料性能及加工要求等制造信息,使CAD,CAM不能有效地集成,特征建模则是在更高的层次上表达产品的功能信息和形状信息,它充分考虑了形状,精度,材料,信息管理及加工技术等方面的特征,为产品整个设计制造过程提供统一的产品信息模型.基于特征的造型设计是CAD/CAM技术发展中极有价值的研究方向.
3.分析软件及优化设计软件
机械设计常用的分析软件主要包括有限元分析软件,机械运动分析软件,动力学分析软件和优化设计软件等.通用性的商品化有限元分析软件是CAD应用系统中最重要的分析计算工具软件,配以面向CAD产品模型数据前处理和后处理接口,可构成实用方便的专用性产品结构分析软件.
产品的设计存在多种可能的设计方案,优化设计软件旨在运用数学优化理论和现代数值计算技术以寻找最优解.在以CAD/CAM应用中,优化设计软件常和工程分析软件联合使用.
(二)国内市场CAD/CAM系统支撑软件简介
1.Pro/Engineer
Pro/Engineer是美国PTC(Parametric Technology Corporation)公司的机械设计自动化软件产品,最早较好实现了参数化设计功能,在CAD/CAM领域中具有领先技术并取得相当成功.
Pro/Engineer包含70多个专用功能模块,如特征造型,产品数据管理PDM,有限元分析,装配等等,被称为新一代CAD/CAM系统.
2. UG
UG(Unigraphics)系统起源于美国麦道飞机公司,60年代起成为商业化软件,1991年并入美国EDS(Electronic Data System)电子资讯系统有限公司.多年来,UG系统汇集了美国航空航天与汽车工业的专业经验,发展成为世界一流的集成化机械CAD/CAE/CAM软件系统,并被多家美国和世界著名公司选定为企业计算机辅助设计,分析和制造的标准.
3.I-DEAS
I-DEAS是美国机械软件行业先驱SDRC公司的产品,它集产品设计,工程分析,数控加工,塑料模具仿真分析,样机测试及产品数据管理于一体,是高度集成化的CAD/CAE/CAM一体化工具,在国内也有不少用户.近年推出的Master系列,在变量几何参数化功能方面,技术上有新的突破.
4.SolidWorks
SolidWorks是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统,由美国SolidWorks公司研制开发.该软件采用自顶向下的设计方法,可动态模拟装配过程,它采用基于特征的实体建模,具有中英文两种界面,其先进的特征树结构使操作简便和直观.
5.AutoCAD及MDT
AutoCAD系统是美国Autodesk公司为微机开发的一个交互式绘图软件,它基本上是一个二维工程绘图软件,具有较强的绘图,编辑,剖面线和图案绘制,尺寸标注以及方便用户的二次开发功能,也具有部分的三维作图造型功能,是目前世界上应用最广的CAD软件.
MDT(Mechanical Desktop)是Autodesk公司在机械行业推出的基于参数化特征实体造型和曲面造型的微机CAD/CAM软件,它将三维造型和二维绘图集成到一个环境下,是介于大型CAD/CAM系统与二维绘图系统之间的一种产品,具有很强的设计功能.
另外,还有美国洛克希德公司研制的CADAM,原CV公司的CADDS,法国Dassault System公司研制的CATIA等很多软件,都是功能较强的CAD/CAM系统软件.
国内在CAD/CAM系统的研究中也取得了很好的成绩,特别是针对某些专项功能方面已开发出具有自主版权的商品化软件,如中国科学院北京软件工程研制中心开发的参数智能化CAD系统PICAD,高华计算机有限公司开发研制的集成智能化CAD系统等,在CAD设计方面达到了很高的水平,在国内企业得到了较好的应用与推广.
四,CAD/CAM的专业性应用软件
专业性应用软件是指针对用户具体要求而开发的软件.在实际应用中,由于用户的设计要求及生产条件多种多样,所选购的支撑软件难以完全适应,因此,在具体的CAD/CAM应用中必须进行二次开发,即根据用户要求开发用户化的应用程序.应用软件的水平,质量及可靠性是CAD/CAM系统能否取得生产效益的关键.企业在产品设计等方面所开发研制的各类软件都属于应用软件.
程序设计语言是开发应用软件的基本工具,在CAD/CAM系统中,可采用多种语言,目前比较常用的编程语言及特点如表6-1所示.
表6-1 程序设计语言特点比较表
由于编程语言在面向对象技术及可视化技术方面的发展与应用,CAD/CAM应用程序的开发变得更为简单,直观,实用.
第七节 工程数据库
在CAD/CAM系统的设计,分析,制造等过程中,都要查阅各种标准,规范等相关资料,并产生各个阶段的结果数据信息,包括图形和数据.这些数据信息如何进行管理,直接影响CAD/CAM系统的应用水平.随着计算机技术的发展,CAD/CAM系统中的信息管理从文件模式发展为数据库模式,直至目前流行的工程数据库模式.
一,数据库技术概述
(—)数据库技术的产生
50年代后期至60年代后期,计算机采用文件系统进行数据管理,各种数据都是以各自独立文件的形式存储于硬盘,数据的存取则是通过应用软件按文件标识符(即文件名)或文件中的记录标识来完成.文件系统管理方式实现了以文件为单位的数据共享,在一定条件下,实现起来方便,使用效率高,但存在如下问题:
1)数据冗余.由于不能实现以记录和数据项为单位的数据共享,各个用户都需要建立自己的文化系统,造成数据大量冗余,不但浪费存储空间,增加硬件开销,而且容易产生数据的不—致性,引发很多严重问题.
2)缺乏数据独立性.由于应用程序和数据文件的数据结构互相依赖,如果因需要而改动了数据结构,就必须随之改动相关的程序,造成使用上的不便.
3)不能统一管理数据,难以保证数据的完整性和安全性.
由于上述问题,文件管理方式只是用于简单的工程应用.随着工程应用的发展,对数据管理方式提出了更高的要求,为解决文件系统存在的问题,出现了数据库技术.数据库技术包括数据库及其管理系统.数据库(DB,Data Base)可以简单地理解为具有某种规律或联系的文件及数据的集合,数据库管理系统(DBMS,Data Base Management System)则是用于对数据库及系统资源统一管理和控制的软件.
(二)数据库技术的特点及应用
数据库技术通过数据库管理系统DBMS统一管理用户文件,能够解决数据冗余及数据一致性问题.另外,它把用户观念的数据逻辑结构,从整体逻辑结构中独立出来,在用户数据的逻辑结构与数据存储结构之间插入一层整体逻辑结构,使数据存储结构的变化不影响数据的逻辑结构和应用程序,从而解决了数据的独立性问题,实现了数据的共享,并且完整性和安全性问题也都得到了相应的解决.
数据库结构一般分为层次模型,网状模型和关系模型.关系型数据库具有数据结构简单,符合工程习惯,数据独立性高及数学基础严密等优点,是目前数据库应用的主流.近年来,随着面向对象技术的推广应用,数据信息广泛采用了类和对象的方法来描述和封装,面向对象数据模型的数据库技术愈来愈受到重视.
二,工程数据库
(一)工程数据库技术的特点
商品化的数据库系统主要是为了满足事务管理的要求,其数据库技术已比较成熟,一般称为商用数据库系统,如ORACLE,SYBASE,INFORMIX等.在CAD/CAM系统中,人们希望能够利用数据库技术有效地管理工程应用中所涉及的图形,图像,声音等更加自然的信