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1、我眼中的机械工程专业当初报考制造自动化与测控技术专业，其实对专业主要研究方向、教学内容、发展方向可以说都是基本无知的，只是因为对机械感兴趣，又知道机械工程专业是以材料成型为主要方向，所以报考了精仪系的专业，幸运的成为了高手云集大师辈出的清华大学精密仪器与机械学系的学生。就这样懵懵懂懂地来到清华大学，走进精密仪器与机械学系，开始人生在新一个起点上的征程。经过入学以来半学期时间机械工程专业概论课学习，对专业有了一些初步的认识，对原来难以有机会接触、听闻的尖端技术领域有了浅层次的了解。结合课上学习以及在网络、书籍上获得的资料，在这篇文章中，粗浅地谈一谈我所了解的机械工程专业。一、机械工程学科的定义及
2、战略地位1、机械工程学科的定义：机械工程是以有关的自然科学和技术科学为理论基础，结合生产实践中的技术经验，研究和解决在开发、设计、制造、安装、运用和修理各种机械中的全部理论和实际问题的应用学科。2、机械工程学科的战略地位：钱先生说过：“技术科学是人类认知的一个新部门。”作为一门技术科学，机械工程学科以自然科学为基础，研究人造的机械系统与制造过程的结构组成、能量传递与转换、构件与产品的几何与物理演变、系统与过程的调控、功能形成与运行可靠性等，并以此为基础构建机械与制造工程中共性和核心技术的基本原理和方法。机械工程师连接自然科学与工程行为的桥梁。机械工程学科的重要战略意义主要体现在如下几个方面：（
3、1）机械工程学科为满足国家目标的物质需求基础提供技术科学支持。例如：为可再生能源的社会应用提供产业装备解决方案；为社会创造人性化智能化和时空高效化的产品；为国家安全、国防装备性能的极端化提供制造科学支撑等（2）机械工程学科的突破将催生中的社会经济变革。机械与制造科学创造了18、19世纪的诸多奇迹，最为突出的例如引发第一次工业革命的蒸汽机的发明、的二次工业革命中透平发电机的应用等。时至今日，社会需求的产品已远非传统制造可以获取，需要新的制造原理的出现。在科学技术高度发展的今天，人类智慧往往是在高度丰富的知识交汇和碰撞中冒出火花，重大工程技术的变革毋庸置疑是源自于基础科学和工程科学的新发现。当今制
4、造科学与现代物理、化学的深度融合正不断创造着新的制造原理和技术。（3）机械工程学科拓宽自然科学研究的视野和领域，并为之提供有效的研究途径。机械工程学科的发展对自然科学研究有重要的支持和促进作用，为物理、化学、生物等自然科学拓宽了研究领域和视野，乃至催生新的学科，并为自然科学试验提供精密仪器的高精度技术和设备保障。二、机械工程学科的总体发展趋势在产品的服役功能与工作品质不断向新的极端发展的挑战下，需要发现更深层次的制造原理和更知识化的智能制造技术。当今机械工程学科发展有如下几个趋势:1、 运用新的制造资源和基础理论发掘新的制造原理与方法，发展新概念产品。2、 从多尺度演变以及界面效应传递的角度探
5、索零件几何结构与物理性能的高精度调控原理与方法，发展高效率、高品质的制造技术。3、 以系统的事业研究复杂制造过程和装备的集成科学，拓展装备设计理论。4、以信息流全局监控为基本线索实现制造与服役过程的精确调控，实现智能化制造。三、机械工程学科的研究特点及研究领域1、与其他自然科学与其他工程科学高度交叉、融合，开辟学科新方向。机械工程学与自然学科高度交叉，探索新的制造原理和装备功能；业余多类工程学科相交叉，追求高的功能品质。2、技术突破与科学发展高度依存、互动，实现制造尺度、精度与品质的跨越。追求自然科学规律的探索的精确过程与工艺模型，实现高精度高性能的数字化制造，是当今机械工程学科的一个鲜明的特
6、色。3、探索机械制造与集成科学。当今的机械工程学科正在形成“复杂机电系统设计制造的集成科学”,将“机械设计”提升到系统集成科学的层面，扩大与深化了设计的科学内容，如界面科学、非线性科学、信息传递科学等；有传统的注重“设计方法”变革为涉及“机械”载有的物理过程如何经集成而演化成机械功能。 机械工程学科主要研究领域有：机构学与机械振动学；机械驱动与传动学；复杂机电系统的集成科学；零件与结构的服役安全与实效科学；机械表面界面科学与摩擦学；生物制造与仿生制造科学；高性能成型制造科学；高能属于特种能场制造科学；高精度数字化制造科学；机械的制造与运行参数测量科学；微、纳制造科学技术等。四、机械表面界面科学
7、与摩擦学1、机械表面界面科学与摩擦学的概况：机械表面界面是指在机械产品设计、制造和生物机械领域中存在的工程表面与界面，发生在机械表面和界面的物理化学变化具有特殊性和复杂性，对机械产品的功能性能都有重要影响。机械表面界面科学不仅研究表面效应和界面效应，而且研究利用机械改造对其优化调控的工程技术。摩擦学是一门与机械表面界面科学密切相关的学科，主要研究相互运动表面之间的摩擦、磨损和润滑以及相关问题与实践的科学技术。机械表面与界面科学与摩擦学的研究范围都很广泛，涉及机械零部件、系统和装备中的表面界面行为与性能设计、机械制造和微纳制造中的表面界面行为与控制、生物及仿生机械系统中表面界面特性与规律，此外，
8、还涉及到自然界和人类日常生活中许多表面界面现象。机械表面界面科学与摩擦学的研究成果可以用于改善机械系统的工作效率、延长使用寿命、提高机械系统这装备的可靠性，为人类解决社会发展面临的资源短缺、能源枯竭、环境污染、和健康问题提供有效的解决方案。随着摩擦学研究从宏观向微观领域的不断深入，表面和界面效应越来越突出，从而催生出一个新的更宽广的研究领域机械表面界面科学，成为新的学科生长点。当前，本来领域面临这一系列重要的科学问题需要解决，主要包括：机械中的表面界面效应及其跨尺度行为、摩擦表面能量耗散与其有效利用原理等。2、机械表面界面科学与摩擦学在科学发展、国民社会经济发展中的重要意义：机械表面界面科学与
9、摩擦学在解决能源、资源、环境和人类健康等问题上能够发挥重大作用。据估计，世界三分二年之一的总能源被一种或多种形式的摩擦所消耗，摩擦热也加速了全球气候变暖的速度。机械表面界面科学与摩擦学的成果发展可以有效的解决能量流失、能源浪费的问题，从而带来巨大的经济效益。除了经济效益外，机械表面与界面科学研究对于减缓资源枯竭与环境破坏也有着重要的作用，比如通过改进表面技术和改进摩擦设计可以延长机械的使用寿命，减小维修成本和降低维修次数；通过表面自主修复技术可以减小汽车尾气的排放；通过研发高效水基础润滑剂、空气润滑和固体润滑技术可以逐步取代矿物油润滑剂，减轻对石油的依赖和对环境的污染等。3、机械表面界面科学与
10、摩擦学在未来5-10年的研究前沿与重大科学问题：（1）机械中表面界面效应及其跨尺度行为：对于表面界面效应的研究，国内外相关研究领域突显若干热点问题和主要挑战，其中有：表面和界面是否存在真实结构分子建立在表面行为中如何起作用多场耦合下表面和界面性质如何改变表面界面行为的跨尺度理论如何表征表面和界面行为能否实现主动控制 。（2）摩擦表面能量耗散机制与有效利用原理：主要热点问题包括摩擦的本源以及摩擦量如何定量描述？摩擦能以何种物理机制耗散？磨屑生成的能量或力学条件是什么？如何描述磨粒和磨屑在摩擦表面的运动及表面间的相互作用？如何让定量分析磨损产生和发展的动力学过程？润滑剂分子在纳米间隙的受限空间内和
11、高压高剪切条件下的分子结构、相态如何变化？润滑剂分子与表面间的物理和化学作用机理是什么？边界润滑膜剪切强度与其分子结构的关系等。五、微、纳制造科学与技术1、微、纳制造技术概述：微、纳制造科学与技术指研究特征尺度在微米、纳米并具有特定的功能器件与系统的设计与制造的一门综合交叉学科，研究内容涉及微、纳器件与系统设计加工测试封装测试等。微、纳制造的发展不仅将人类的制造能力拓展到微、纳米领域，也将这门传统学科与基础学科的前沿研究紧密结合到一起，进而成为一门应用性基础理论学科；其次，随着制造能力的提高与研究的对象的拓展，微、纳制造学科与其他工程学科的结合也日益密切，为其他工程学科的发展提供了强有力的技术
12、支撑，因此，也成为引领工程技术领域发展的前沿技术。2、微、纳制造科学与技术的研究范围（1）微制造：微制造主要指MEMS微加工和机械微加工的制造。MEMS微加工只有微电子技术发展起来的批量微加工技术，主要包括硅表面微加工技术和非硅微加工技术，包括硅干法深刻蚀技术、硅表面微加工技术、硅湿法各向异性刻蚀技术、键合技术、LIGA技术、UV-LIGA技术、及其封装技术等。MEMS加工材料以硅、金属、塑料等材料的二维或准三位加工为主。其特点是以微电子及其相关技术为核心技术，批量制造，易于电子电路集成。机械微加工是指采用机械加工、特种加工技术、成型技术等传统技术形成的微加工技术从加工对象的尺度上来讲，机械微
13、加工属于介观制造技术，加工材料不受限制，可加工真三维曲面。其微加工工艺包括微细磨削、微细车削、微细铣削、微细钻削、微冲压和微成型等。（2）纳制造：纳米制造是构建适用于跨尺度集成的、可提供具有特定功能产品功能和服务的纳米尺度维度的特征、结构、器件和系统的制造过程。它包括纳米压印、离子束直写刻蚀、电子束直写刻蚀自组装等制造过程。微、纳制造科学与技术的研究范围主要包括;微、纳设计与器件原理；微加工；纳米加工；微、纳复合加工；微、纳操作装配与封装；微、纳测试与表征；微、纳制造装备新原理7个主要方面。3、微、纳制造科学与技术的重要意义 （1）对国民经济和社会发展有着重要的带动作用：微纳制造技术在汽车、石
14、化和通信等行业得到广泛地应用，目前向环境与安全、医疗与卫生方面迅速拓展，并在新能源装备、半导体照明工程、柔性电子和光电子等信息器件方面具有重要的应用前景。 （2）对制造科学和技术的发展具有重要的推动作用：维娜制造科学技术的发展是制造从宏观进入微观，不仅拓宽了制造技术的尺度范围，丰富了制造技术，也对传统制造的基础科学问题提出了严峻的挑战。微纳制造面临制造对象的几何尺度是微纳尺度，随着尺寸的减小，纳米尺寸效应不仅影响了自身结构性质，也对器件加工过程和工作载荷作用相应规律和器件与环境的相互作用规律产生了重要影响；其次，随着器件集成度的提高和不同能量场的耦合作用，多场耦合问题、电磁兼容问题生物相容性问
15、题都在影响着器件工作性能和工作环境。因此，微纳制造业促进了制造科学的相关领域的前沿研究，对基础科学的研究提出了许多理论挑战。如纳米效应、表面效应、尺寸效应量子隧穿效应和耦合效应，都要求将基础理论的前沿成果应用到微纳器件的设计与制造中，同时，也丰富了相关基础理论学科的研究内容和催生了一系列新学科。 4、微、纳制造科学与技术的发展主要方向 （1）微纳设计与器件原理：微纳设计理论与方法。主要反映在：多场耦合建模与仿真、跨微纳尺度的理论和方法、微纳制造领域中非硅工艺等三个方面。微纳器件与系统;当今微纳器件与系统已发展出基于各种原理和方法的微传感器、微执行器、光MEMS、射频MEMS、生物MEMS、微流
16、控芯片、能源MEMS、微光电器件等。 （2）微加工：MEMS微加工技术是由微电子技术发展起来的批量微加工技术，主要包括微加工技术和LIGA技术。硅微加工技术：硅微加工技术主要包括硅表面为加工技术和体硅微加工技术LIGA技术：加工厚度可达2mm，深宽比可达50100.当今研究热点在于不用同步辐射的准LIGA技术。 （3）纳米加工：纳米加工就是通过大规模平行过程和自组装模式，集成具由纳米到微米尺度的功能器件和系统，实现对功能性纳米器件的可控性生产。纳米压印技术纳米生长技术特种LIGA技术纳米自组装技术 （4）微纳复合加工：纳米技术加工与微加工的结合，包括纳米加工与微加工结合的“自上而下”的微纳复合加工以及纳米材料与微加工结合的微纳复合加工 （5）微纳操作、装配与封装:基于单场或多场的微纳米操作方法微纳装配与封装跨尺度集成封装 （6）微纳测试与表征：特征尺寸测量表面力学测量
