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开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇航空航天进展，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
摘要:碳密封材料是空间领域中的一种具有良好应用前景的摩擦密封材料。本文主要对应用于航空航天领域的碳密封材料的种类和工业领域相关的制备工艺进行了探究。
关键词:碳密封材料;航空航天;应用
制备工艺航空航天工业是事关我国国防事业的重要工业。在航空航天工业不断发展的背景下，这一领域研究人员开始对应用材料的密封可靠性问题展开了深入的研究。密封材料的性能是密封可靠性的主要影响因素。碳密封材料在这一领域有着优异的特性。
1航空航天领域常用的碳密封材料
1．1柔性石墨密封材料
从石墨自身的性能来看，它可以成为高温环境和低温环境下常用的密封材料。柔性石墨密封材料主要由石墨纸、柔性石墨卷材等材料组成。这种材料是天然鳞片石墨进行特殊加工的产物。它具有着良好的自性能和耐热性。这种材料的化学惰性相对较大，可以抵抗酸碱盐溶液和一些有机溶剂的侵蚀。因此，它可以替代一些应用于航空航天领域的石棉材料和橡胶密封材料。柔性石墨密封材料中的柔性石墨材料可以用于低压静密封。
1．2增强石墨密封材料
在航空航天领域，增强石墨密封件主要应用于动密封、机械密封件的摩擦副和旋转接头之中。这种材料主要由多孔石墨浸渍而成。浸渍过程应用到了加压浸渍工艺和真空浸渍工艺等多种工艺。俄罗斯科学家将高强石墨密封环应用在了航天发动机的涡轮泵中，这一材料具有着高强度、高密度和低摩擦系数的特点。
1．3碳纤维复合材料
碳纤维复合材料主要由碳纤维－柔性石墨复合材料和碳纤维－树脂浸渍复合材料等多种材料组成。这种材料有着良好的耐磨性和独特的自性。它可以应用在航空发动机涡轮的轴径部位。这种碳密封材料具有着导电性、耐腐蚀性，对电波和X射线也具有有效抵御的特性。它也可以适应中高压静密封环境的要求。
2碳密封材料制备工艺的应用
2．1碳密封材料的复合加工工艺
碳密封材料的复合加工工艺建立在超声振动辅助切削加工工艺和超声电火花加工工艺等工艺基础之上。超声振动辅助切削加工可以在降低切削温度的基础上，强化加工表面的质量。超声电火花技术是在电机中应用超声振动的一种加工方法。它主要利用电极端面合适的放电间隙来提升火花击穿概率，也可以提升加工孔的加工稳定性和加工效率。深化复合加工工艺，可以为碳密封材料在航空航天领域的应用提供一定的帮助。
2．2碳密封材料的抗氧化工艺
碳密封材料的抗氧化工艺涉及到了这一材料的生产过程中应用的单涂层技术和两涂层技术等技术。氮化硅、氮氧化硅和相关混合物可以有效强化碳密封材料的低温抗氧化性能和高温抗氧化性能化。与之相关的后处理技术也可以有效解决碳密封材料可能出现的微裂纹问题。
2．3碳密封材料的耐高温工艺
与航空航天事业有关的碳密封材料耐高温工艺主要由以下工艺技术组成:法国航空宇航公司所采用的一种与SiC有关的制备工艺;二是与离散碳纤维有关的隔热结构制备方法，这种制备方法中应用了乙二醇、丙三醇和石油油料等多种材料;三是由美国企业研发的一种建立在仿氧化硅基树脂技术基础上的碳密封材料耐高温技术。在对这一工艺进行应用，可以让碳密封材料在航天非隔热层的建构过程中得到推广。
2．4碳密封材料的致密化工艺
碳密封材料生产领域所采用的高强度碳密封材料制造法是以固体可流动颗粒状聚合物为压力介质的制造方法。碳密封材料先驱体的固化过程是生产过程中的关键要素。除此以外，热压成型法在碳密封材料中的应用可以让这一材料的致密性特征得到强化。它让应用于航空航天领域的碳密封材料的制备过程与含碳纤维符合材料和研磨沥青等基质材料之间产生了一定的联系。在经过电阻加热以后，压制而成的碳密封材料的密度可以达到1.30g/cm3。
2．5碳密封材料的防裂解工艺
防裂解工艺可以为碳密封材料在航红航天领域的应用提供一定的保障。具有梯度碳化物涂层的碳纤维增强复合材料的应用，可以借助传统的气相沉积法完成碳密封材料的制备工作。在这一方法应用以后，图层标称的热胀系数要高于地层的系数，表层到底层的热胀系数也会表现出渐变分布的特点，这样，在高温环境下，航空航天领域所应用的碳密封材料不会出现断裂的问题。
3结语
随着高新技术的不断发展，航空航天领域对密封材料的要求也不断提高。碳密封材料的应用已经受到航空航天领域重点关注，例如航空发动机对轴间密封材料的强度、抗氧化性和导热性有着严格的要求。通过对碳密封材料滑动摩擦磨损行为的探究，可以发现，碳纤维复合材料更适用于航空发动机主轴密封环之中。碳纤维编制方法和相关的工艺参数是航空航天领域的专家所研究的重要问题，其可以让碳密封材料应用于运载火箭的发动机泵密封件之中。碳密封材料在航空航天领域有着较为广泛的应用前景，创新相关制备技术是对这一材料的性能进行改善的有效方式。随着我国航空航天事业的不断发展，新型碳密封材料也会在这一领域得到进一步的推广。
参考文献:
［1］黄荔海，李贺军，李克智，张守阳．碳密封材料的研究进展及其在航空航天领域的应用［J］．宇航材料工艺，2006(04):12～17．
星期四，地面科研人员将菜籽植入植物垫中。今年晚些时候，宇航员会用它们在太空中种出莴苣和白菜。在种下菜籽之前，这些在佛罗里达州肯尼迪航天中心实验室里工作的科学家，已经花了一周时间将无菌土壤和特殊肥料装填进特氟龙和芳纶布制造的包装袋里。他们把这些包装袋叫作“植物垫”。
与其说菜籽是种下去的，不如说是被粘到了最佳位置，使用的黏合剂是一种叫作瓜尔豆胶的常用食品添加剂。这些位置可以使菜籽长出的根迅速找到水源，并且让植物垫外生长的菜叶尽可能高效地发芽。这些植物垫将会被封装在运输包内送往国际空间站，然后被放置在特制的生长室内。这个生长室配备了光照、照相机和其他在轨实验所需的条件。轨道实验室中的宇航员将会每
天给种子浇水，而地面研究人员也会进行同样的实验作为对照。
这些被植入18个植物垫的菜籽，将在下周的CRS-7号发射任务中，搭载太空探索技术公司的龙飞船进入太空。
2015年7月7日
明天，宇航员会给莴苣种子浇水， 打开特制LED光源，开始下一轮国际空间站上的蔬菜生产。这是2014年开始的Veggie蔬菜种植系统实验的第二阶段。
实验中经常遇到的问题是生长中的植物接触不到足够的水分。这就需要宇航员对灌溉过程进行直接干预――亲自给植物垫中的种子浇水。
一周之后，莴苣植株将会被疏松栽培，让最大最强壮的植株获得更多空间和资源，以更好地生长。根据生长状况，完成该实验大约需要28天。在绕地球飞行的同时，宇航员会吃掉其中一半的作物。另一半将被送回地球进行研究。对未来飞向太空深处执行探索任务及飞向火星的宇航员来说，哪怕只有少量的新鲜蔬菜，都会提供极具价值的营养。
2015年7月8日
在宇航员斯科特・凯利将含有菜籽的植物垫放置在蔬菜种植系统中并给它们浇过水之后，国际空间站的第二批蔬菜种植实验正式开启。专门化的太空农场给植物提供光照，并让植物垫的棉芯通过吸收湿气获得水分。斯科特・凯利将给生长中的植株拍照，并将照片传给肯尼迪航天中心的科学家，以便他们对实验进行监控，并且在地球上用同一种菜籽进行对照实验。预计几天之后，空间站上的菜籽就会发芽，一个月后，宇航员就应该可以饱餐一顿莴苣了。这项研究被认为对
于将宇航员送往太空深处，并最终送上火星的未来计划至关重要。在长时间的太空旅行中，宇航员可以通过绿色蔬菜补充维生素，并享受来自地球家园的宽慰。
2015年8月10日
宇航员的一小口，人类历史的一大。在从国际空间站Veggie蔬菜种植系统收获了“极品红”长叶莴苣之后，宇航员斯科特・凯利、科尔・林格伦和油井龟美品尝了他们的劳动成果。
2015年8月11日
太空蔬菜种植前景一片光明。未来的火星之旅离不开在微重力环境条件下生产食物的能力，地球上的农业生产者以及食客们也可因这项研究获益良多。8月10日，宇航员斯科特・凯利、科尔・林格伦和油井龟美成为第一批尝到太空食材的人，他们采摘并品尝了国际空间站内种植的莴苣。
他们食用的是名为“极品红”的长叶莴苣品种，这些莴苣摘自在轨运行的国际空间站内的Veggie蔬菜种植系统。今天早晨，美国航空航天局肯尼迪航天中心的蔬菜种植组也从地面收获了莴苣，除了生长地不同外，与空间站中的莴苣别无二致。“蔬菜种植系统表明植物在太空中生长和在地球上生长极其相似。”美国航空航天局肯尼迪航天中心蔬菜种植组的负责人乔亚・马萨博士在组内通风会上表示。肯尼迪航天中心副主管珍妮特・佩特罗说：“创新是美国航空航天局继承的巨大资产，也是我们的文化，国际空间站是近地轨道上的一个良好的科研平台。但是如果要去火星，我们需要脱离地球的束缚。”
除了能让未来的太空探索受益，该项研究也能给地球带来显而易见的好处。全球人口持续增长，如何在有限的空间内种植更多的粮食作物也越发重要。该项目副总监丽莎・克罗雷多说：“美国航空航天局的商业航天员正在计划联手国际空间站的研究，为未来将人类送上火星而努力。”她指出，一旦商业航天器开始向空间站输送宇航员，就能够有足够的人手来延长宇航员用于科研的时间。
马萨还说，目前Veggie蔬菜种植系统的成功让他们有信心认为宇航员可以自己生产食物。无论是在未来国际空间站，还是在向火星进发的旅途中，宇航员都可以吃到新鲜的蔬果来加强营养，还能在原本了无生机的航天器里通过小规模种植作物得到心理享受。马萨说：“离开地球是为了更好地服务地球，服务未来。”
2015年11月16日
新年过后，国际空间站里很可能会有鲜花绽放。今天早晨，美国航空航天局的宇航员科尔・林格伦在国际空间站内启动了Veggie蔬菜种植系统，并将含有百日菊种子的植物垫放在该系统内。这是轨道实验室里第一次进行花卉种植实验，在地球轨道上生长的百日菊将会为日后在太空种植其他开花植物提供初期信息。“种植花卉比种植莴苣这样的蔬菜难度更高，”美国航空航天局肯尼迪航天中心Veggie蔬菜种植系统的载荷科学家乔亚・马萨说，“ 光照和其他环境因素更为关键。”
林格伦会开启红、蓝、绿色LED光照，激活Veggie的灌溉和营养系统。百日菊的生长期为60天，是国际空间站前两批种植的“极品红”长叶莴苣生长期的2倍。在生长期内，LED系统将循环提供10小时光照和14小时黑暗环境，以刺激植物开花。“种植百日菊将帮助我们深入理解Veggie 蔬菜种植系统中植株开花的过程，使我们可以把蔬菜种植系统作为在轨农场，在太空中种植和食用土豆这样的开花植物。”肯尼迪航天中心Veggie蔬菜种植项目的主管特伦特・史密斯说。
研究者同时希望获取其他方面的优质数据，例如种子长期贮存和发芽率，花粉会不会造成问题，以及对宇航员士气的影响。国际空间站计划在2017年种植土豆。
2016年4月8日
美国航空航天局计划开展代号为Veg-03的Veggie蔬菜种植系统第三次实验，含有白菜品种“东京小白菜”的植物垫在佛罗里达肯尼迪航天中心准备就绪，即将被送往国际空间站。Veg-03将继续推进美国航空航天局的太空植物生长研究，为人类飞往火星的旅程奠定基础。执行本次任务的航天器是太空探索技术公司的龙飞船，这也是它第八次开展商业性补给服务。
由于受到不同环境因素的影响，植物在太空中的生长与在地球上不同。人类将来开展太阳系长途飞行任务，以及最终登陆火星，都需要向宇航员提供新鲜的食物供给。了解植物如何响应微重力环境条件，是实现这一目标的重要前提。Veg-03科学组的负责人乔亚・马萨说：“我们选择这一白菜品种，是因为它长势喜人并且风味绝佳。Veg-03会测试一系列新的蔬菜品种，我们希望宇航员会喜欢它们的风味，从而使国际空间站拥有一个蔬菜沙拉供应系统。”
在国际空间站准备设施处的一个实验室里，Veg-03科学组首先往18个植物垫中插入棉芯，然后准确称量一定配比的煅烧土（即太空尘土）以及肥料，配好后将混合物填入植物垫中，最后将其缝合。此外，科学组对东京小白菜和“极品红” 莴苣的种子进行了灭菌，然后分别种植到枕中，封装进真空包，转交给工程服务承包商，整合到运输的货物中。这一批要运送到国际空间站的蔬菜一共有12枕白菜和6枕莴苣。Veggie蔬菜种植项目的负责人特伦特・史密斯说：“Veg-03将建立在前空间站成员斯科特・凯利改进的自动化园艺系统之上，采用与其类似的操作技术来测试对蔬菜的适用性。希望国际空间站的成员们会喜欢这些白菜。”
在空间站里，宇航员会把这些植物垫放置在Veggie蔬菜种植系统中，启动LED光照和灌溉系统，定期监控和照料蔬菜生长。今年夏末，美国航空航天局还将把一块纪念牌匾送上国际空间站，宇航员会把它挂在蔬菜培养设施上，以表彰太空生物学先驱的贡献，特别是近期过世的索拉・ 豪尔斯泰德和肯・苏萨。他们致力研究生物体对微重力环境的响应机制，并且亲手促成了太空生物学作为一门学科的建立和发展。他们做出的贡献影响仍将持续，使未来火星之旅的探险者受益。
2016年7月22日
13株生长在国际空间站的百日菊被送回佛罗里达州肯尼迪航天中心，并在国际空间站准备设施处Veggie蔬菜种植系统飞行实验室里进行了解剖分析。另有12株百日菊被留在国际空间站里，作为宇航员的纪念品。来自美国航空航天局的一组科学家和国际空间站地面处理与研究项目办公室的合约科学家合作，小心翼翼地从13株太空百日菊和地面对照实验的百日菊植株中获取了种子。
科学家对这些百日菊种子进行了仔细的显微检查，然后将它们封存在小瓶中，做好标记供进一步分析。在肯尼迪航天中心，这些种子将会接受微生物分析以及发芽率测定，以决定能否将它们送回国际空间站，在Veggie蔬菜种植系统中进行新一轮生长。这批百日菊是2014年4月作为Ve g-01实验的一部分被送上国际空间站的，含有百日菊种子的植物垫在2015年11月16日被宇航员斯科特・凯利放置在Veggie蔬菜种植系统中并开始生长，当时凯利正在执行为期一年的驻站任务。在系统的灌溉和监控下，这批百日菊生长了90天。
2016年2月14日，这批百日菊被收割、打包，并由太空探索技术公司CRS-8货运补给任务带回地球。Veggie蔬菜种植系统是由美国航空航天局太空生命与物理科学研究项目分部出资支持的。美国航空航天局希望通过在国际空间站内完善Veggie蔬菜种植系统，为将来的宇航先驱者提供可持续的食物供应――这是美国航空航天局火星计划中的重要M成部分。鉴于美国航空航天局正在逐步展开有关太阳系深处的长途探索任务，植物种植系统将会成为宇航员重要的食物供应源。同时，蔬菜种植还能在长时间的太空旅行中为宇航员提供休闲园艺活动。
2016年11月21日
一套高仿真的测试版美国航空航天局植物培养高级系统于上周抵达了肯尼迪航天中心。植物培养高级系统是为美国航空航天局打造的最大的植物舱。这套工程开发系统由卡车运送至国际空间站准备设施处，之后被转移进实验室。在实验室里，美国航空航天局的工程师以及工程服务合同内的科学家和技师，都将使用这套测试设备进行训练，学习如何对它进行操作和组装，为明年迎接真正的植物培养高级系统做准备。他们还将测试植物培养设备的各系统如何与科学研究进行整合。
美国航空航天局肯尼迪航天中心的工程师设计了植物培养高级系统的部分子系统，并且制造了飞行培养舱，其他子系统由威斯康星麦迪逊的ORBITEC公司设计制造。该设备是一个具有可控环境的闭环系统，可以容纳大型植物。整个系统使用红、绿、蓝色LED光照，和目前国际空间站上的Veggie蔬菜种植系统类似。植物培养高级系统还可以使用白色LED光照和红外线。此外，植
物培养高级系统将装备180个传感器，并且光输出量是当前Veggie蔬菜种植系统的4倍。
肯尼迪航天中心的科学家开发了可以整合入植物培养高级系统的科学载荷，用于国际空间站上的植物生长实验以及地面控制实验。载荷集成工程师会和雅克布斯公司一起，根据《测试与运行协作合约》，将包含种子的科学实验整合到植物培养高级系统中去。雅克布斯公司的研究者同样为植物培养高级系统提供了实验空间和技术支持。该项目的小规模实验名为“植物培养1”号，或PH01，将包含拟南芥、卷心菜和芥菜类的小型开花植物。PH01和植物培养高级系统都会在2017年被送上国际空间站。
2016年12月6日
昨天，也就是星期一，肯尼迪航天中心Veg-03实验地面对照组进行了第一次莴苣收割， 开启了应用“割韭菜式”的方法进行的四次连续作物收获。这种方法的理念是每10天收割一次“极品红”长叶莴苣，只摘掉每一株的部分叶片，让剩下的叶片继续生长。
与地面实验的收获方式不同，12月2日在国际空间站里，宇航员享用了他们的劳动成果。而肯尼迪航天中心收获的蔬菜则在包装、称重后，被冷冻起来供未来使用。地面Veggie系统是为了给在轨种植提供对照组。国际空间站上未来几次收获的蔬菜将会被保存起来，在返回地面航天中心之后供科学家对比研究使用。对比研究不仅包括太空和地面种植的产量对比，还包括食品安全分析，研究者将评估“割韭菜式”方法造成的叶片表面微生物含量随时间的变化。
2017年1月20日
今天，宇航员佩吉・威特森启动了新一轮国际空间站蔬菜种植实验。名为东京小白菜的白菜品种首次在太空中进行栽培。选择这种白菜是因为它生长迅速，具有很高的营养价值，并且风味独特。威特森将作为在轨种植的负责人，在为期一个月的时间里照料这些白菜。
2017年4月3日
今天，宇航员佩吉・威特森将在国际空间站种下第二批白菜，也是Veggie蔬菜种植系统的第六批作物。在两个月的种植期内，威特森将会定期采摘白菜叶供宇航员食用，同时进行科学研究。这将是国际空间站成员第二次使用“割韭菜式”的方法收获作物，以期增加蔬菜产量。此前这种方式被用于“极品红”莴苣。这一次，威特森拿到的种植指南根据第一批白菜表现出的需水量更大的生长特点进行了修改。
[关键词]：石墨烯；性质；应用
[引言]：
碳元素是自然界中最为神奇的元素，在自然界中广泛存在。在有机物世界中，碳元素是构成众多有机物的基本骨架；而在无机物世界中，碳单质的多种同素异形体，从石墨与金刚石，到富勒烯和碳纳米管也逐渐被人们认知。2004年，曼彻斯特大学GeimA.K教授等用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，也因此获得2010年诺贝尔物理学奖，至此掀起科学界研究石墨烯的热潮。
1、石墨烯的结构和性质
石墨烯是由单层碳原子在二维平面内以SP2杂化方式形成蜂窝平面薄膜，可在二维平面内无限延伸。碳原子最外层有四个未成键的电子，石墨烯中每个碳原子中有三个外层电子与其他三个碳原子形成C?C共价键，而其余一个未成键电子在与二维平面垂直的方向形成π键。
石墨烯的特殊结构决定其拥有特殊的性质：
1.1电学性质：石墨烯是目前已知的电阻率最低的材料。石墨烯中π电子位于与平面垂直的p轨道内，其自由运动不会与碳原子核发生碰撞，因此石墨烯中自由电子的运动受到的阻力极低。相关研究表明，电子在石墨烯上的传递速率可达光速的1/300，在特定条件下，石墨烯的子迁移率可以达到25000 cm2V-1s-1，这已经远远超越了目前已知的所有半导体材料[1]。
1.2力学性质：石墨烯特殊的成键方式，使其晶格结构十分稳定，是目前为止最强、最硬的材料。其抗拉强度和弹性模量分别为 125 GPa和 1.1TPa，杨氏模量约为42 N/m2[2]，石墨烯的力学性质意味着它可以承受巨大的作用力，其柔韧性也保证它在弯曲变形的同时结构不会破坏。
（3）光学性质：单层石墨烯对可见光以及近红外波段光垂直的吸收率仅为2.3%[3]，对所有波段的光无选择性吸收，因此它的透光率极大，几乎是透明状态。
（4）导热性质。石墨烯的晶体结构决定其具有良好的导热性，研究表明石墨烯的热导率可达5000Wm-1K-1[4]。
2、石墨烯材料的应用
石墨烯的特殊性能意味着石墨烯及其衍生材料有着巨大的应用前景，已经或者未来将被使用在诸如电子信息、能源、环境保护、生物医药、航空航天等领域。
2.1石墨烯在电子信息领域的应用
石墨烯材料因其优异的电学性质和光学性质，将会在在电子信息领域发挥革命性的作用。
在过去的几十年中，硅基材料一直是电子信息产业的核心材料，但面临着难以进一步集约化、微型化的难题。石墨烯的出现，有望成为硅的代替品，电子信息领域也由“硅时代”进入“碳时代”[5]。一方面，石墨烯具有超高的电子迁移率，用石墨烯取代硅制造芯片，计算机处理器的运行速度将会快数百倍；石墨烯良好的导热性，允许计算机可以有更高的运行频率，同时消耗更少的能耗；同时也为未来电子产品的进一步微型化提供了可能。另一方面，石墨烯作为单原子层的二维材料，几乎是透明的，同时具有极佳的柔韧性，因此它非常适合作为柔性的、透明的电子产品的原料，比如可以卷曲的手机屏幕等，这将极大地改善人们的体验效果。
2.2石墨烯在能源领域的应用
石墨烯材料在能源领域的应用，主要有太阳能电池、锂离子电池、超级电容器[6]。
2.2.1太阳能电池：太阳能电池作为把太阳能转化为电能的装置，受到越来越多的关注。目前使用最广的主要是硅太阳能电池，但是制造成本高，且会带来严重的环境污染。石墨烯由于其优异的电化学性能，在太阳能电池方面具有广泛的应用前景。一方面，石墨烯材料的高透光性、载流子迁移率高、宽光谱范围等特性，能极大提高太阳能电池的转化效率；另一方面，在室温条件下，石墨烯性质稳定，保证了太阳能电池的稳定性。
2.2.2锂离子电池：锂离子电池是目前应用最广的二次电池，大多使用在在便携式电子设备中，近来逐渐被用于大功率的动力电池领域。石墨烯具有高的比表面积、sp2杂化的二维平面结构，这使得石墨烯具有最高的电子导电性，从而成为制备锂离子电池电极材料的最佳候选材料。目前的研究现状是将石墨烯与与硅基、锡基、钒系等其他材料进行复合，作为锂离子电池的电极材料，能极大提高锂离子电池的能量密度和充放电速率，但在使用寿命和稳定性方面存在问题，需要进一步的研究。
2.2.3超级电容器：超级电容器是一种新型的储能装置，具有高功率、相对高的能量密度、循环寿命长、安全性和环境友好性等特点。石墨烯的高比表面积、优异的电学性能和稳定的化学性能等特点，在超级电容器领域备受关注。Stoller等[7]以KOH化学改性的石墨烯作为电极材料，验证了石墨烯应用在超级电容器电极材料领域的可行性。石墨烯作为超级电容器的电极材料可以大幅提高电容值，同时也可以保证其发生柔性变形是电化学性质的稳定，因此柔性超级电容器具有很好的应用前景。
2.3石墨烯在环境保护领域的应用
环境污染是当今社会面临的重大挑战，尤其是空气污染和水污染会严重危害人们的健康。石墨烯材料在环境保护领域也可以起到相应的作用。石墨烯材料巨大的比表面积赋予其优良的吸附能力，尤其是对有机物吸附性更强，因此石墨烯有望成为继活性炭之后最有效、最广泛的吸附剂。同时，功能化石墨烯材料含有丰富的含氧基团，这些含氧基团能够高效地与重金属离子作用，可以应用于净化重金属离子污染的污水。此外，石墨烯还可以与金属、金属氧化物等构成复合材料，不仅对金属离子的吸附具有高度选择性，而且通过负载光催化材料，如TiO2，可以有效分解有毒、有害的有机物，在污水处理和空气净化中都可以发挥很大作用[8]。
2.4石墨烯在生物医药领域的应用
功能化石墨烯表面含有大量的活性基团，比如羰基、羧基、羟基及环氧基等，这些基团使石墨烯具有良好的水溶性及生物相容性，因此可以应用于生物医药领域[9]。
2.4.1药物载体：目前癌症的治疗手段主要为化疗和放疗，但是这两种治疗效果不佳且存在许多的副作用。石墨烯较大的比表面积和其衍生物表面丰富的官能团（环氧基、羟基、羧基）与抗癌药物结合形成的复合物通过修饰、控制颗粒的大小以及利用可透过血脑屏障等特点实现癌症药物的靶向治疗，是一个很有前景的材料。
2.4.2抗菌：人类滥用抗生素导致耐药性、超级细菌的产生，所以人类不得不从新的角度去发展抗菌类药物，不仅要提高抗菌效果，还要减小对人类及环境的危害。近年来，人们发现石墨烯及其衍生物与动物细胞具有很好的生物相容性，可以与细菌相互作用起到抗菌作用。石墨烯及其衍生物除了自身与细菌作用之外，石墨烯家族还可以充当抗菌药物的载体。
2.4.3检测与传感：目前利用石墨烯及其衍生物来制造电化学传感器和生物传感器以提高检测性能方面已经有了很大的进步。目前石墨烯以及极修饰的石墨烯复合材料已被提倡用于临床、环境等方面的检测，其中血糖测量用的最广泛，比起传统方法提高了检测的灵敏度。
2.5石墨烯在航空航天领域的应用
石墨烯材料在航空航天领域也有巨大的应用潜力。随着航空航天活动越来越频繁，对高性能的航空航天材料的需求越来越迫切；而且由于航空航天材料的使用环境和条件特殊，对其性能的要求更为苛刻[10]。石墨烯材料的优异性质，恰好可以满足这些要求。石墨烯具有优越的力学性能、热学性能、电学性能和阻隔性能，这些性能在航空航天领域都至关重要。石墨烯材料具有轻质、高强度的特点，可作为航天器的结构材料；石墨烯可以增强粉末高温合金，在提高其机械性能的同时改善其耐高温性能；石墨烯与其它材料复合，还可以将热、电和阻隔性能赋予材料，为材料的多功能创造机会。
3、结语
如上所述，石墨烯材料在诸多领域的应用已经取得很大进展，能够给这些领域带来巨大的进步，但相关研究大都处于实验室阶段，尚未达到成熟应用的水平。因此，石墨烯材料的实际应用还有很长的一段路要走。要想使石墨烯材料尽早地实现产业化，真正为人们所用，还要解决许多关键性的技术问题，这也是研究人员的目前的研究热点。相信随着研究的深入，技术的成熟，石墨烯材料的应用领域会更加广泛，人类社会将进入全新的“碳时代”。
[参考文献]：
[1] 杨常玲， 刘云芸， 孙彦平. 石墨烯的制备及其电化学性能[J]. 电源技术， 2010，34（2）：177-180.
[2] 韩同伟， 贺鹏飞， 骆英，等. 石墨烯力学性能研究进展[J]. 力学进展， 2011， 41（3）：279-293.
[3] 陈英良， 冯小波， 侯德东. 单层与双层石墨烯的光学吸收性质研究*[J]. 物理学报， 2013，62（18）：187301.
[4]张文毓， 全识俊. 石墨烯应用研究及进展[J]. 传感器世界， 2011， 17（5）：7-12.
[5]吴波. 石墨烯的研究现状及其在电子信息产业中的应用前景[J]. 中国玻璃， 2015（6）：27-30.
[6] 徐驰， 朱和国， XUChi，等. 石墨烯的制备及其在能源方面的应用研究进展[J]. 材料科学与工程学报， 2016， 34（2）：326-332.
[7] STOLLER M D， PARK S， ZHU Y， et al. Graphene-based ultracapacitors [J]. NanoLett， 2008， 8（10）： 3498-3502.
[8] 程梦婷， 刘倩， 刘稷燕，等. 石墨烯在环境有机污染物分析中的应用进展[J]. 环境化学， 2014， 1（10）：1733-1743.
基于问题的学习是一种以学生为中心的主动型教学模式和课程体系设置方法，其最初是由加拿大的麦克马斯特大学（McMasterUniversity）医学院于20世纪60年代在医学课程教改中逐步形成并提炼出来的。在PBL中，教师根据课程要求和学生的知识基础预先定义一个不完整的或劣构的问题，然后让学生进行研究，理论联系实际，运用已掌握的知识和技能提出解决问题的可行方案，让学生亲身参与问题求解的每一个步骤和知识构建的过程，从而将其先前获得的知识和经验很好地整合起来，使已有知识结构得到完善的同时达到对新知识的理解与掌。
1.目标和基于问题的学习法的特点。
基于问题的学习方法的主要目标不仅仅是让学生获得知识，并且要运用知识。PBL重视模型和问题的解决。它试图模拟现实生活中的工程研究和开发过程。Barrows这样描述PBL的主要特点：（1）学习是以学生为中心的，即学生选择怎样去学习和他们想要学习的内容。（2）学习在小团体中展开并且提倡协作学习。（3）老师是促进者、引导者或教练。（4）问题形成组织重点并刺激学习。（5）问题是拓展真正的问题解决能力的工具。（6）新的信息是通过自学获得的。
2.PBL工程教育案例———麻省理工学院航空航天工程系。
几年前，在麻省理工学院的航空航天系成立了一个由教师和科研人员组成的新战略计划小组，专门负责课程改革。为了强调教育以学生为中心，讨论小组花费了一定的时间和精力通过对项目和学习成果进行验收，设计了新的教学方法，建造与之配套的实验室。尽管基于问题的学习是关键，但它不是课程组织的原则。新的航空航天工程课程以现实生活中产品完整的生命周期工程为背景，即构思、设计、实施和执行（CDIO），结合设计建造经验，贯穿于整个项目中。接下来就是从简单的项目到高度复杂的系统设计建立过程，以及从中取得的经验教训。第一年，在《航空航天设计导论》课上，学生们设计、构思并且试飞的由无线电控制浮空飞行器（LTA）。第二年，在《联立工程学》课上，学生们设计、搭建并且试飞了无线电控制的电推力飞行器。在一些比较深入的课程例如《空气动力学》课上，从工厂或者政府以往项目中提出航空工业中很常见一个实际的问题，像是以洛克希德•马丁战术飞机系统为模板提供项目设计方案。高级课程完全利用基于问题的学习方法，如：《实验项目实验室空间系统工程》、《CDIO高等课程》。在这些PBL体验中，学生发现自己感兴趣的问题，通过做实验找到解决方法，并用多学科方法设计出复杂系统。麻省理工学院航空航天系“复杂系统学习实验室”的主任提出了一个对于基于问题的学习方法的分类框架。它将问题分为四个等级，给出了解决基础科学及先进工程课题的系统方法。一级：问题集。问题集是指在大多数工程课程中发现的传统问题。它们往往具有一定的结构与较成熟的解决方案（至少问题的设计者知道）。所有学生解决同样的问题，有时独自解决，有时以小组形式解决。问题需要在相对较短的时间内解决。二级：小型实验。小型实验是指在结构化问题下的实验课。例如测量或观察某种工程现象或数据。这些问题在一或两个学期内解决，可以“重复地进行”，也就是说，每个学生团队解决与其他团队同样的问题。在麻省理工学院有许多例子，如《联立工程学》课上的桁架实验室，《空气动力学》课上对在风洞中的流速计的校准，《航空航天设计导论》课上对空气动力减速器的各种测试。三级：大型实验。比起前几个阶段，这个阶段的问题需要更长的时间去解决，可能会耗费几周或整个学期。到了这个阶段问题明显复杂了很多，需要更多的规划和教员支持。在麻省理工学院有许多如是例子：《实验项目实验室》课上的风洞试验、飞行器模型项目，《空气动力学》课上的机械项目，《航空航天教育导论》课上的轻于空气的飞艇，《联立工程学》课上的电动飞行器设计等。四级：顶级CDIO实验。这个阶段在系统中整合了核心工程的顶级实验。麻省理工学院的航空航天工程项目用构思-设计-实施-操作（CDIO）的方法来设法更接近于实际工程。在顶级实验中，工程的四个阶段都将涉及。顶级实验室的项目均为研究的重点，需要更多的资金，工程的复杂度和依赖经验的程度也很高。例如麻省理工学院的自主卫星光学阵列项目和磁控编队飞行器。四级的项目需要学生、老师和研究员花费三个学期去完成。可以看出三级和四级问题的解决过程是由学生主导的、不受约束的、复杂的、多方面的且具有很高的主动性过程，符合之前所说的PBL标准。然而一级和二级中的项目体验过程更结构化，在这个过程中学生体验到关于问题构想的有用指导，使用工具进行研究发现。基于问题的学习方法和设计-制造经验贯穿了整个麻省理工学院航空航天工程系的本科生阶段。使用四个等级的框架来层次化PBL体验过程确保了从高度结构化问题到无约束和复杂问题情况的合理推广。
3.基于问题的学习方法的评估。
基于问题的学习方法的评估是多模式和长期性的。这些方法包括实验室期刊、技术简报、设计审查、技术报告、团队协作评估、设计作品、互评和自评。教师的角色主要是顾问和指导员，以及在学习过程中为学生提供大量反馈信息。在《航空航天设计导论》课上，学生们设计、制造并试飞由无线电控制的浮空飞行器，设计审查作品和最后的评估工作都是由飞行器竞赛的方式进行。在《综合工程》课的飞行器设计项目中，二年级学生分析在问题集中与气动性能、稳定性和推进装置有关的问题，并动手组装和试飞无线电控制的电推力飞行器。与第一年的课程相似，评估手段包括问题集、设计审查以及最后的一场比赛。除了评估认知能力的培养效果，情感变化也要被评估。评估学生们在问题处理过程中的信心、参与到解决具有挑战性问题中的意愿和控制问题解决进展的感觉也很重要。这些情感变化可以通过观察、访谈、作品、期刊和其他形式的自评进行评估。
二、小卫星平台与基于PBL的航天工程教育创新结合途径
在全球化大背景下，除去意识形态的差别，世界人才的标准正趋于统一。根据著名的CDIO（Con-ceive-Design-Implement-Operate，即：构想-设计-实现-运作）工程教育模型，工程教育包括以下几大培养目标：掌握深厚的基础知识和应用技术；善于构思、设计、实现和运作新产品或系统的能力；承担和实施复杂系统工程的能力；适应现代团队协作开发模式及其开发环境。这些目标是直接参照工业界的需求而制定的，它实际上定义了现代工程技术人员的素质构成。
1.小卫星作为航天工程教育的意义。
小卫星为空间发展提供了的一条新途径，这是与以往基于传统空间开发模式的“政府导向的大型项目”完全不同的。此外，NASA已经开展了很多项目为大学提供发射机会，让他们逐渐学会如何开发、运营卫星。超小型卫星计划是其中一个著名的案例，选定十所大学并给予他们项目资金，最终的成品将搭载航天飞机发射上天。凭借多年的项目经验，一些大学已经能够制造卫星，甚至出售卫星给其他大学或国家。小卫星为大型卫星上已经实现的一些任务提供了一条新的实现途径。一定数目的小卫星协作是一个非常重要的概念，通常被称为“星座”或“编队飞行”。这种多卫星体系的优点是容错量大、重构能力强、系统的可扩展性好。
2.基于小卫星平台的航天工程教育项目。
小卫星的操作训练为大学生的太空教育提供了一个特别的机会，让他们能够体验从任务创建、卫星设计、制造、测试、发射、运行，直到结果的分析的整个太空项目周期。同时他们还能从这些项目中学到项目管理和团队协作等重要技能。小卫星项目不仅对教育有益，而且有望成为太空技术发展与商业运营中的一名新成员。
（1）日本卫星设计大赛。
上世纪90年代初期，日本的大学小卫星研究项目远远落后于美国和欧洲各国。然而，在意识到了小卫星在教育和技术发展上的重要性后，日本国内开始大力推动高校小卫星设计-制造计划。第一个里程碑是“卫星设计大赛”。1992年三个学术社团共同成立了大赛组委会，他们分别是JSME、JSASS与IEICE。经过一年时间的准备，于1993年举办了第一届比赛。这项比赛的目的是为更多的大学生提供参与太空项目的机会，同时鼓励一流大学开始进行实体卫星的制造项目。评审项目分成两大类，创意类评审该项目的创意与想法，设计类评审卫星设计的可实现性。提交的项目首先会进行初步的评审，合格的项目才能入围最终的决赛。届时，将进行卫星模型的展示和评审。优秀的作品将获得“设计奖”、“创意奖”以及三大学术社团颁发的奖项。大赛每年都会收到20到30个创意独特的项目。
（2）大学空间系统研讨会（USSS）以及CanSat项目。
USSS始于1998年，每年11月由JUSTSAP小卫星工作组在夏威夷举办。研讨会的形式十分独特，出席会议的日本和美国的大学首先提出自己卫星项目的构想，以及各大学自身的科研实力，然后将具有相同兴趣、能力或科研实力的大学进行组队。各组展开讨论，在一天半的研讨会后，各组需要向其他组展示他们的项目设计书。这些项目要在USSS结束后的一年内实施，他们的成果将在下一年的USSS上展示。其中最成功的项目就是CanSa（t罐装卫星）项目了。CanSat项目是1998年由特维格教授提出的。在最初的计划中，每所大学都要制造一个350mL饮料罐大小的微型卫星，卫星将被发射到轨道上，在下一年的USSS上进行控制操作。
（3）立方体卫星。
立方体卫星项目由特维格教授在1999年的USSS大会上提出。立方体卫星为重1kg，长宽高均为10cm的微型卫星。每所大学制作的立方体卫星都被放在一个名为“P-POD”的盒形载体内，它由俄罗斯的“第聂伯”火箭装载发射升空。为了减少立方体卫星和P-POD之间的机械和电气接口，P-POD释放机制设置得非常简单：当P-POD的门打开，里面的立方体卫星就被P-POD末端的弹簧弹出。东京大学和东京工业大学已经开始了立方体卫星项目，并大致完成了设计和EM级别的模型制造。这些大学的学生已经在立方体卫星项目中获得了微型卫星开发的基本专业知识。但他们现在需要面临新的挑战：如何使用现成的廉价的部件设计可靠的空间系统，如何进行空间环境试验（如真空热或辐射试验）并获得试验结果，以及如何处理更大的风险，更多的人力资源、时间和成本。目前计划于2002年底发射第一个立方体卫星。
（4）欧洲大学生月球轨道航天器。
欧洲大学生月球轨道航天器ESMO是欧空局教育卫星计划的第四项任务，它是基于“欧洲大学生太空探索与技术倡议”计划中的“SSETI-Express”卫星。ESMO项目是为了吸引和培养下一代的月球与其他行星的工程师和科学家。航天器有效载荷包括：船载液压双组元推进系统，用船从地球同步轨道通过“日地系统中的拉格朗日点L1”转移到绕月运行轨道的过程，历时3个月；表面光学成像的窄角相机和一个用于测绘全球引力场的子卫星，将在历时超过6个月的时间里执行测量任务；可供选择的载荷还包括一个生物实验和一个微波辐射计。ESMO项目是未来欧洲的科学和勘探计划的一个强大的动手教育和公共宣传工具。它是一个面向大学生的项目，训练和培养了下一代的月球任务的工程师和科学家。
三、建立基于PBL的航天工程教育实验平台和培养范式
我国在“十二五”规划中提出了“创新驱动，实施科教兴国战略和人才强国战略”，要“围绕提高科技创新能力、建设创新型国家，以高层次创新型科技人才为重点，造就一批世界水平的科学家、科技领军人才、工程师和高水平创新团队。实施PBL教学是一项系统工程，由于受国情、传统教育教学模式和人才培养机制的约束，在中国工科大学中实施PBL教学存在问题案例少、实施成本高、评价方式单一和师生角色僵化等问题，因此，需要根据我国工程教育的现状和国情对PBL教学进行本地化处理，不能生搬硬套，具体来讲有以下几个方面需要注意。
1.树立以学生为中心的教学理念。
树立以学生为中心的教学理念是实施PBL教学的前提条件，PBL强调以学生为中心，作为PBL教学的实施者，教师必须要深刻认识到这一点。
2.根据具体航天任务设计问题。
丰富的问题案例是PBL教学成功的关键。每门专业课的设置都是基于学生已具备一定的先修课程基础为前提，但个体的差异不容忽视，教师或教师团队在进行某课程PBL问题设计的时候要充分了解学生的知识基础，结合具体的实施条件进行问题案例的设计。为了保持热情，学生们可以一种竞赛的形式开始项目，学生们互相分享自己的认识，用自己的双手选择出最吸引人并且最有意义的项目。
3.提高卫星实验平台的开放性与多样性。
除了教育实践空间项目对航空航天教育带来的价值之外，学生建造空间项目长期承诺创新型大学的任务是可直接有利于空间行业本身。目前，各大学中设立的大学或研究生开放实验室及其配套的开放创新基金都是一些很好的尝试，取得了很好的效果，但其范围需要扩大，让大学生能够进入一些比较前沿的和良好国际合作背景的研究型实验室，使其很早就能受到良好的学术熏陶，以促进其产生向更高层次发展的内部动机和欲望。
4.加强学习能力的培养。
发展学生的学习能力，使其成为高效、独立的终生学习者是PBL的重要目标之一。通过参加PBL学习，让学生明白学习不完全是个人的事情，在PBL小组中每个学生都担当一定的角色，并承担相应的责任，在小组讨论中无私贡献自己的学习成果，并吸取其他成员的学习成果，达到共同进步。
5.建立合理多样化的评估体系。
在实施PBL的过程中，可以采用学生自我评价、同学互评及教师评价相结合的办法，注重学生的过程表现，而不是结果。创新人才的多样性和创新思维的多样性决定了我们不能用一刀切的方法来评价学生，而是要采取灵活多样的评估体系，建立激发创新的长效机制。除了评估认知能力的发展和成就，情感变化也要被评估。评估学生们在问题处理过程中的信心、参与到解决具有挑战性问题中的意愿和控制问题解决进展的感觉也很重要。
四、结论
在校大学生想造真火箭
2005年11月22日晚上，北京航空航天大学宇航学院副院长蔡国飙教授刚刚讲完一节课，在课间休息时，飞行器动力设计2001班的朱浩与饶大林走到他的面前，似乎想对他说些什么话。
“有什么事你们说吧。”他笑着对他们说。
“我们觉得在这三年多时间内学到了不少关于航天飞行器制造的理论知识，现在临近毕业，学习任务轻松一些，我们又是保送研究生，没有考研的压力，所以想利用这段时间将书本知识运用起来做点实事，可又不知道做什么好……”朱浩踌躇满志地说。
听了朱浩的话之后，蔡国飙教授想了想说：“要不，你们造一个火箭吧！”
造火箭？朱浩与饶大林愣住了：“我们现在只是在校本科生，我们能行吗？”1958年，由教师们成功设计研制过一枚名为“北京一号”的探空火箭，之后的近50年里再没过这样的项目了。
“你们能行的。但仅凭你们两人比较难，必须一个团队才行！同时，造火箭也得花一大笔经费呢。”蔡国飙若有所思地说。看朱浩与饶大林神情有些暗淡，他又说，我来想办法，看能否就经费等问题得到学院的支持。
朱浩与饶大林以为蔡老师是在安慰他们，哪知两天后的下午，蔡国飙给他们打来电话说，学院支持他们的“火箭计划”。
11月25日，“北京航空航天大学学生探空火箭项目”在宇航学院领导的支持下正式立项。
没想到自己的一个想法会得到学校的如此重视。因而在立项之后，身为项目负责人的朱浩便开始物色起人选来。
火箭的设计与制造主要分为火箭动力设计、火箭航天探测控制设计以及火箭总体设计。于是，朱浩请了与自己同是飞行器动力设计专业、也是保送研究生的饶大林、张莘艾、王文龙等同学；又请了飞行器探测控制设计专业保送的研究生何小英、杨勇、薛松柏、周军华等同学；还请了飞行器总体设计专业的姚伟、王光远、唐万元、张晓天、张凌燕、何兆伟等几个同学一起组成该项目的研究设计小组。
设计火箭一般有这样的程序：火箭执行任务的确定、火箭的具体设计与制造；火箭的发射与升空；火箭的控制与观测；火箭的回收等。
之后，他们初步达成了两个方案：其一是生物火箭――在这个生物火箭中放一个有生命的动物，比如小白鼠等，在火箭发射升空与运行的过程中用摄像头观测小白鼠的生活与生存情况，并收集相关的科学数据；其二是探空火箭――用以模拟载人航天以及探测气象状况，在升空的过程中以及升空之后探测大气的相关参数。因为这两个方案的支持者各占一半，所以朱浩决定采用民主调研的方法来确定火箭的执行任务。
通过半个月的调研，他们发现，生物火箭所装生物的过载问题无法解决――小白鼠在超过5G，即5个重力加速度的情况下就会失明，而小白鼠一旦失明，它的很多正常活动都会受到影响。因而，要让小白鼠不失明的话，他们就得将生物火箭的升空速度所产生的地心引力降低到5G以下。而凭他们的能力，要将火箭的升空速度控制在5G以下非常难，同时这么短的时间也无法实现这种火箭的设计。所以，他们最终放弃了对生物火箭的设计，而改成设计用于大气参数测定的探空火箭。
当火箭的执行任务确定之后，给这三枚火箭取什么名字又让他们犯起难来，最后有人提议取名为“北航1号”，觉得这样可以体现北京航空航天大学学生的钻研精神，意义深刻，于是名字就这样确定了下来。
精心设计
有了火箭的执行任务和火箭的名字，他们便开始具体地分工了――入选的队员按照火箭的组成部分被划分到火箭总体、动力系统、点火控制系统、分离回收系统、数据采集系统和地面发射系统6个不同部分。之后，他们又将火箭的大小与重量进行了确定：火箭全长设定在2.5米左右，最大直径0.18米，箭体重量95千克左右，发射高度10000米左右，有效载荷质量10千克左右。
虽然他们14人中有12人是学校保送的研究生，可是设计火箭这样的高难度项目，其中的复杂性却无法预料。当他们开始了这项庄严而神圣的任务之后才发现，自己平常所学的跟航天飞行器有关的理论知识和实际操作原来有着相当的差距。
同时，项目刚刚启动，整个团队就陷入了困境：由于对各个环节估计不足，日程安排不合理，项目进展非常缓慢。
各环节不断地有问题出来，还好，都一 一解决了。当动力系统方案设计之后。他们拿着自己的单室双推力火箭发动机以及端面燃烧的固体发动机两种方案，满怀信心地找到航天科工集团六院向专家咨询时，总设计师程研究员对他们的设计方案给予了全盘否定，理由是他们的设计无法确保火箭在升空过程中的安全性。
被程研究员否决之后，他们顿时如泄了气的皮球，不知如何是好。此时程研究员又对他们的精神予以了肯定，同时，建议另一种设计方案――新型内控燃烧固体发动机，并为他们介绍了该方案的核心技术与设计方法。就这样，发动机组的电脑设计图在老师和专家们的指点下，先后修改了5次，最终定稿。
控制组在研究设计时也遇到了难题：因为他们在控制与监测方面所用的电子元件与集成块都是在常温、常压下使用的，虽然能正常工作，但这种设计如果运用到火箭中去，火箭在升空的过程中，温度与重力加速度都大大地改变了，所以，他们所设计的很多控制方案在地面上实验时尚能保证可靠性，可一旦置于火箭升空的环境中去做此实验之时，却发现可靠性一下子就改变了，因而他们为此颇伤脑筋。
去年5月，他们进行了第一次地面点火试验。当他们紧张地看着控制屏，希望火箭发动机能够正常点火时，却发现发动机喷管出了问题，结果导致发动机被烧毁。看到自己设计的产品出现这种结果，负责此项设计的张莘艾伤心地哭了。同学们大多是独生子女，从小到大成长得一帆风顺，所以当这个失败的实验结果无情地出现在他们眼前的时候，他们个个都像霜打的茄子一样蔫了。
在这关键时刻，还是老师们给了他们信心。他们在帮张莘艾仔细地分析了他的设计方案后，得出了一个让同学们重振旗鼓的结论：是喷管加工工艺没达到要求。
除了设计方面所出现的一个又一个难题折磨着他们，生活方面的难题也折磨着他们。
一鸣惊人
他们所设计的火箭大概要花300万元，可实际上却只花了几十万元。这是因为他们去联系制造火箭的单位时，那些单位的领导有感于他们是在校本科学生却有如此雄心壮志，都纷纷给予他们大力的支持，节约了大量费用。
去年10月底，队员们准备进行全箭试总装的前一天，火箭在试滑时，却发生了箭体上架后晃动的现象。如果不解决这个问题，这将直接影响到火箭的成功发射，因而这个问题是火箭研制以来所遇到的最大挫折。
面对可能功亏一篑的问题，队员们急得像热锅上的蚂蚁，这时，负责这一部分设计的张凌连夜拿出了两套新方案。第二天早上6时，他直奔位于北京大兴县的零件加工厂。8个小时后，他背着刚刚赶制出来的零件出现在北京火车站时，汗湿的手心里又攥着了晚上9时去往呼和浩特的车票。
11月1日8时，甘肃酒泉卫星发射中心。一枚2.53米长的白色火箭静卧在一座绿色火箭发射架上，直指长空，蓄势待发。
“3，2，1，点火！”随着一声令下，负责总体设计和控制的薛松柏从容地按下电子点火器按钮。也就在这一刻，全长2.53米，重95千克，有效载荷量10千克的探空火箭尾部瞬时喷出耀眼的火焰，箭体以迅雷不及掩耳之势从发射架上呼啸而出，在蓝色天幕上划出一道白烟，直刺万米高空。
当初在设计火箭之时，考虑到设计一枚火箭失败的风险比较大，他们便特地同时设计了三枚火箭，这样就能更大程度地保证此项目成功。因为假如发射第一枚火箭时没有成功，而又知道失败原因的情况下，可在第二枚或者第三枚上进行修正。
11时和12时，朱浩与同学们又根据当时的气象情况和首次发射状况进行紧急计算后调整了剩下两枚火箭的发射角度，成功实现了三箭连发的壮举。
“发射成功！”酒泉发射中心指挥人员宣布道。此刻，发射指挥大楼3层的观测平台上，指挥中心的工作人员与部队官兵、北京航空航天大学的领导和师生顿时欢呼一片，尤其是参与研制的朱浩、薛松柏等同学，更是激动地相互拥抱。
当凭着自己的努力造出的火箭成功地升空且圆满地完成任务之后，喜欢音乐的薛松柏连夜与同学们一起创作了一首名为《我是航天人》的歌曲：“你是航天人，我也是航天人，一条漫长的路，两颗赤诚的心，只有航天人，最了解航天人，脚下的路越长，心中的爱越深……”
虽然由14名在校本科学生所设计的三枚“北航1号”不是最新的，也不是最难的，而且三枚火箭中，有4个项目测试成功，由于选用民用电子元件未能保证工作状态的稳定性而使得一个项目测试失败，回收装置最后也没能打开。但是“北航1号”却是中国在校大学生亲手设计的，是14个本科生赋予了它生命！
木卫二的神秘之处，字面理解起来就是“非地球的”：这是一个由冰雪雕刻的世界，不像地球是由岩石雕刻而成。在这里，冰质地壳取代了漂移的大陆，咸水海洋取代了地球地幔，蒸汽喷泉取代了火山。表面的条纹有可能是海洋物质溢出断裂冰层所致，与地球上的海脊有着相似的效果。
以地球视角来看，木卫二的构造错得离谱：坚硬的外壳在上，流动的水源在下。但从是否存在外星生命的角度来说，这样的安排也许是极好的。在它坚硬的外壳下，木卫二的液态水含量是地球上所有海洋总水量的2倍。天体生物学家通常将水视为生命的第一要素，而木卫二上的水源足够多了。冰线以下的环境可能与南极冰盖底部类似，而且，在木卫二深埋于冰层下的海洋底部，可能有一个活跃的热液喷口。在地球上，这些地方都是生命繁衍生息的活跃场所。
这些冰冷的物质无须借助风雨的作用就可以形成千奇百怪的侵蚀地貌， 重塑星球表面的形态。
玄之又玄的是，木卫二的水有时候会从坚硬的冰层中逃逸而出。2 0 1 3年年底， 哈勃空间望远镜记录下了木卫二南极附近一次巨大的雾汽喷发现象。这次探测证实并发展了早期关于木卫二之所以如此生机勃勃的观点。木卫二绕木星的运转轨道略呈椭圆形，在木星强大的重力作用下，木卫二时而被挤压，时而被拉伸。这种屈伸会在木卫二内部产生强大的摩擦，从而产生足够的热量，在木卫二冰冷而坚硬的外壳下形成一片温暖的海洋。喷泉的存在也表明，处处受挤压的木卫二的裂缝会定期打开和闭合，从而使深藏在底部的海水形成间歇性喷泉。
如果间歇性喷泉是从地壳一路喷薄而出的话，里面应该能找到海洋生命的踪迹。而且，如果喷泉喷射的高度足够高的话，将来的飞船就能正好从中穿过，一探里面是否含有生物或者化学物质。
这下你就能明白在美国航空航天局艾姆斯研究中心2 0 1 4年2月召开的外行星评审小组会议上，参会人员感到眼花缭乱的原因了。该活动是一个讨论冰冻世界的定期论坛，全称为外行星评审小组，简称OPAG。这里卧虎藏龙，高手云集，有的是外行星生命的笃信者，有的是电脑高手，他们分享最新的科技成果，讨论各种奇思妙想，探讨宇宙开发的战略
部署。每获得一点新数据，他们的信心就增加一点，更加坚定地认为木卫二才是寻找外星生命的最佳星球，而不是火星。在木卫二上发现喷泉让他们着实兴奋了一把。当瑞典皇家理工学院的劳伦兹・ 罗斯在电话那头报告关于这类喷泉喷发的最新研究时，人们都屏气凝神，热切地仔细聆听着。（可惜最近没有此类喷泉喷发，唉，真不走运！）。
外行星评审小组会议上另一条同样具有轰动效应的消息， 是5个月前的一项最新发现：木卫二上有板块构造。这点与地球类似，而我们已知的其他任何星球都不具备这一点。板块构造描述的是地壳的移动，以及地表构成物进出地核的循环过程。约翰霍普金斯大学应用物理实验室的路易斯・ 普罗特克是木卫二上此类活动的发现者之一，他们是通过精心修复“伽利略”号在1 9 9 5年至2 0 0 3年绕木星飞行过程中拍摄的木卫二的老照片
发现这个现象的。
正如普罗特克在会议上向我解释的那样，移动的地壳可以成就两项非常重要的事情：它裹挟着地表冰层，连同在阳光下形成的所有化合物，一路下潜到黑暗的海洋深处，这些化学物质可以为海洋生物提供重要的营养物质；此外，地壳运动还可以将海底物质带上地表，这样探测器就能在地表看到木卫二海洋的踪迹，而无须进行钻探。
在这些新发现的鼓舞下，人们对木卫二的狂热已超过了外行星评审小组会议。例如，
2 0 1 4年6月，美国航空航天局就宣布已开始研发造访木卫二的探测器，并将于2 0 2 0年后发射升空，对木卫二做进一步研究。此项探索计划如果成功，就可以将木卫二不可思议的冰与海洋的世界展现给世人。同时，还能帮助科学家进一步了解此类冰冻世界的总体情况。冰封的卫星、矮行星、巨大的小行星，这些都是广袤的太阳系外层空间的标配，如果它们能复制木卫二的模式，就可能拥有更多宜居要素。同样，人们有理由相信，其他恒星周围也有大量类似的冰封星球存在。综上所述，银河系或许有几百亿个宜居的冰封世界！
这些令人惊奇的推断似乎表明，科学家已经开始了解木卫二的运作方式了。如果有人
这样想，那就大错特错了。容我唱个反调：从很大程度来说，木卫二仍然是个神秘莫测的巨大冰球。
我们关于木卫二的所有知识几乎都来自美国航空航天局的“伽利略”号木星探测器，它于1 9 9 5年抵达木星。在长达8年的任务中，它携带的望远镜拍摄到了木卫二的大部分，但是这些照片的每个像素涵盖大约1.6千米，实在是太模糊了。今天，最好的火星照片的像素能达到近1米，清晰度相对高多了。霍普金斯应用物理实验室的伊丽莎白・塔特尔承诺说，美国航空航天局即将推出的木卫二探测器的像素也能提高到这个水准。在此之前，想象一下凭借一幅1. 6千米以下什么都看不到的航海图去探索木卫二的情形，你就能理解在探索木卫二的道路上，科学家仍然任重而道远。
此外，行星科学家还不了解地质学（或许应该叫“冰川学”）在冰冻星球上的基本运作方式。因为，冰亦冰，非常冰。美国航空航天局喷气推进实验室的罗伯特・ 帕帕拉多负责木卫二探测器的研发，他向我道出了其中的复杂程度。白天，木卫二的表面温度为-1 3 4℃，夜间的最低温度能降到- 2 2 3℃以下，是名副其实的冰雪王国。在这样的环境下，水被视为一种矿物质，而冰的硬度与混凝土大致相当。因此，这些冰的断裂、断层以及粉碎方式都与岩石非常相似。但是，与岩石不同的是，即使冻得非常结实，这些表层冰也可以由固态直接升华为气态。冰冷的物质在黑暗而温暖的区域沸腾，在明亮而寒冷的区域凝固，从而无须借助风雨的作用就能形成千奇百怪的地貌，重塑星球表面的形态。
另外，木卫二上还会发生其他一些稀奇古怪的事情。木星有一个巨大的、强有力的磁
场，能对其卫星产生强大的辐射：日均辐射量为5 0 0雷姆。暴露在这个剂量的辐射下，1小时后人就会感到不舒服，2 4小时后就会因辐射致死。这种强度的辐射可以将任何有机化合物瞬间分解，从而加大了我们寻找生命的难度。同时辐射也会产生各种复杂的化学物质。喷气推进实验室近期进行的一项实验表明，木卫二上条纹的颜色是海盐反射太阳光造成
的。这些化合物与其他各种分子以及由彗星撞击带来的有机矿物质，能随着循环作用返回
至海洋底部。在那里，任何生命形式都可以得到很好的保护，充当生命的能量来源。
如果有外星生命游弋于木卫二的海洋中， 但是没有人能看得到它。那么，它究竟算不算是存在的？
木卫二的冰壳是另一个广袤的神秘之地。帕帕拉多指出，在冰冻的世界里，水在表层之下的深处充当岩浆和热岩的角色，但冰与岩石毕竟不同。高压下的冰温暖而柔软，呈雪泥状，缓慢地流动着。冰壳厚度为1 6千米至2 4千米（实际厚度可能比这个数字大，也可能小，这也是下一步木卫二任务需要探明的神秘内容之一），整个冰壳范围内可能存在一个异常复杂的循环模式。冰壳中存在着由液态水形成的湖泊，湖泊与下层海洋被冰壳隔断开来。因此，表面的喷泉很可能并不直接源于冰下海洋，而是来自这些中转站――湖泊，与南极洲未被开发的沃斯托克湖非常类似。
在这次外行星评审小组会议上，冰的循环这个看似狭窄的话题使人们对木卫二上存在
生命，以及大量此类冰冻世界上存在生命的可能性进行了各种有意思的讨论。乔治亚理工
学院的布兰妮・ 施密特对此感到迷惑不解，即地质（冰川）活动是否存在于木卫二的整个冰壳范围内。如果物质无法在表面和海洋之间循环流动，那么木卫二将是一个被密封死的世界，生命将无法从表层获得任何新鲜的化学物质作为食物来源。即使生命可以在这种条件下继续存活，我们也永远不可能看见它们，除非从冰上凿一个巨大的洞。在外行星评审小组会议上，多名研究人员认为，这种情况需要一个着陆器，还有人强烈建议发射撞击球，利用撞击力使木卫二表面变得松散，从而收集可能存在的微生物。
至于木卫二的海洋，其深度可能超出你的想象。正如实验所证实的，如果木卫二表层
的条纹果真是由盐形成的，就表明在富含矿物质的海洋内部，海水之间的相互作用非常强烈。这种互动的能量源于因木卫二内部热量作用而形成的热液口，这些热液口能为木卫二上生命的延续提供能量，就如地球上一样。但是，总的热液量是多少？酸度与盐度是否有
利于生命的存活？那里有多少有机物？科学家用这些富有挑衅意味的问题刁难彼此，却都
给不出答案。
我们什么时候（或者说能否）找出这些问题的答案，很大程度上取决于我们能从木卫二外部看到多少内部世界。外行星评审小组会议上的谈话与大学课堂上关于存在的争论有些相像：如果有外星生命游弋于木卫二的海洋中，但是没有人能看得到它，那么，它究竟算不算是存在的？
木卫二的忠实信徒久久等待着，希望有朝一日新的探索任务能将这些谜团和争论一扫
而光，或者，至少可以用实实在在的数据给争论画上句号。然而，这个等待更像是乐观者与悲观者之间的一场拉锯战。美国航空航天局在1 9 9 9年就通过了木卫二轨道飞行器计划，但该项计划2 0 0 2年即被终止。此后，美国航空航天局又筹备了一项更加雄心勃勃的计划，即发射核动力推进的“木星冰月轨道器”。这项不可思议的计划先是被推迟，最终于2 0 0 6年被终止。尽管欧洲人在自己负责的项目领域中走在了前列，但与欧空局合作的一家合资公司并没有跟上，他们原本计划在2 0 3 0年向木星的另一颗冰冻卫星――木卫三――发射探测器。
外行星评审小组成立于2 0 0 4年，是一个支持冰冻卫星的辩护组织，旨在给予那些冰
冻卫星应有的重视。目前看来，事情的进展还是比较顺利的，国会通过了木卫二探测器项目的资金计划，美国航空航天局已定制了一批设备，并已指定相关科研人员负责。
木卫二探测器可能包括一个着陆器。国会议员和欧空局总干事都对此表示支持。亚当・施特尔茨――负责“好奇”号登陆车的首席工程师――向我保证说，从技术层面来说，设计一款配备有火箭的小型探测器在木卫二实现软着陆并不是件难事。而且，该探测器甚至能在木卫二表面进行钻探，以寻找冰层下未被辐射伤害的任何可能的有机化合物。
外行星评审小组的科研人员遗憾地声称，人们没法看到帅爆的木卫二潜艇，美国航空
航天局曾在其网页“未来使命概念”上展示过这一项目。将探测器下潜到地球上的沃斯托
克湖已是困难重重，何况通过远程遥控在木卫二厚达1 6千米（甚至更厚）的冰层上钻洞去寻找一片未知的海洋。其中的困难我们无法想象，而且美国航空航天局对此项计划的预算也不容乐观。
没关系。如果美国航空航天局当前的木卫二计划将来大量关于冰冻世界的运作原
理，以及它们在支持生命方面的相似性的信息，并且结果能如多数科学家所期望的――亦
如我所强烈期盼的，这将会激发人们对土卫六、土卫二，以及木星其他卫星的研究热情。这也将改变人们在其他恒星周围寻找宜居星球的计划。当前，宇航员的精力大都集中在寻找其他类地行星上，但是，这些行动或许一开始就跑偏了。因为宇宙中的大多数生命可能都被安全地锁到了冰层下面，而且大部分无法为外界探测到。
无论木卫二上是否有外星有机物，它都将告诉我们生命可能的形式，以及它们可能存
【关键词】 高技术产业 创新活动 基本状况 对策建议
一、研究背景和目的
2005年在全国21个将高技术产业作为“十一五”重点产业发展的省、市创新能力的排序中，贵州高技术产业创新能力综合评价位于第15，被归类到创新能力相对较弱的地区。2006年贵州省高技术产业保持着良好的发展势头，高技术产业工业总产值达175.26亿元，比上年增加16.04亿元，但其在全国的比重从1995年的⒈08%下降到2006年的0.42%。《贵州省“十一五”高技术产业发展规划》提出高技术产业发展的目标是，力争高技术产业总产值年均增长25％左右，2010年达到500亿元，在全省GDP比重中由3％上升到6％左右，成为全省的支柱产业之一。
高技术产业技术创新状况关系到高技术产业的发展。本文对2239个规模以上（在本文中指全部国有及销售收入在500万元以上的非国有工业企业）具有法人资格的工业企业开展的企业创新调查资料进行分组整理，调研分析贵州省高技术产业开展创新活动基本状况。涉及六个方面：产业创新活动的活跃度、创新活动的研发主体、创新类型、创新经费来源和支出、创新产出以及创新活动的知识产权保护。重点是三大行业：医药制造业、电子通信设备制造业和航空航天器制造业。
二、对高技术产业创新活动基本状况的调查分析
1、高技术产业创新活动活跃度。从高技术产业创新活跃度析，全省高技术产业中有82.5%的企业开展了创新活动，比全省或全国工业企业高5成，活跃度明显，见图1。
从行业看，医药制造业、电子通信设备制造业和航空航天器制造业开展创新活动企业占全部调查企业的比重分别为78.6%、76.5%和100%。
2、高技术产业创新活动研发主体。高技术产业创新活动主体状况为：产品创新中企业自主创新的比例为62.5%，企业间合作创新占8.93%，企业与科研院所的合作创新占17.86%，企业与高校合作创新占0.89%，其他方式占9.82%。开展工艺创新的企业中自主创新占63.6%，企业间合作创新占13.08%，企业与科研院所的合作创新占6.5%，企业与高校合作创新占2.8%，其他方式占14.02%。各行业也都以企业自主创新为主，但在创新主体比重上有所不同。医药制造业和航空航天器制造业在产品创新上与企业、科研机构的合作创新明显，而电子通信设备制造业集团研发比例高。
3、高技术产业创新类型。企业的创新类型包括企业原始创新、集成创新和消化吸收再创新三种（一个企业的创新活动可能同时包含三种创新类型）。在有产品创新活动的高技术产业中原始创新占41.3%，集成创新占25.0%，消化吸收再创新占17.5%；在有工艺创新活动的高技术产业中原始创新占31.3%，集成创新占21.0%，消化吸收再创新占17.5%。可见，贵州高技术产业在创新类型上以原始创新为主，而产品创新比工艺创新注重原始创新，见图2。三大行业都以原始创新、集成创新和消化吸收再创新的形式开展创新，但原始创新比重偏高。
4、高技术产业创新经费。创新经费是指企业用于创新活动的各种经费，本次调查主要指企业用于研究与试验发展经费，为开展创新活动获取机器设备和软件的经费，从企业外部获取相关技术的经费。2006年全省高技术产业创新经费支出总额7.94亿元，占全省工业企业创新经费投入的16.7%，创新经费投入强度6.08%，比全省工业高3.33个百分点。贵州高技术产业创新经费来源渠道单一，主要由企业资金、金融机构贷款和政府资金组成，三项合计占全部资金来源的98.1%。其中：政府资金占19.0%，金融机构贷款占26.5%，企业自有资金占52.6%。来自于减免税的比例极低，风险资金投入为零。
从高技术产业创新经费支出结构分析，创新经费用于内部R&D经费占全部创新经费的54.9%；占产品销售收入的比重为3.34%，比全省工业企业高2.58个百分点。用于外部R&D经费占全部创新经费的7.1%，占产品销售收入的比重为0.44%，比全省工业企业高0.36百分点。用于获取机器设备和软件支出占全部创新经费的33.0%，占产品销售收入的比重为2.01%，比全省工业企业高0.21个百分点。用于从企业外部获取相关技术经费占全部创新经费的5.0%，占产品销售收入的比重为0.30%，比全省工业企业高0.18个百分点。
5、高技术产业创新活动产出。2006年高技术产业新产品产值为43.37亿元，新产品产值率为24.75%，比全省工业企业高13.55个百分点。实现新产品销售收入35.19亿元，新产品销售率为26.47%，比全省工业企业高15.67个百分点，其中：新产品出口6.98亿元，占新产品销售收入的19.85%。新产品销售收入中国际新产品6.55亿元,占新产品销售收入18.62%，国内新产品销售收入13.56亿元,占38.53%。企业新产品销售收入15.08亿元，占42.85%。
创新产出的行业结构中，医药制造业、电子通信设备制造业和航空航天器制造业实现新产品产值占高技术产业新产品产值的比重分别为：36.4%、20.8%和38.3%。航空航天器制造业产值规模航空航天器制造业最大。从产出水平看，医疗设备及仪器仪表制造业新产品产值率最高，而销售率是电子通信设备制造业最高，见图3。
6、高技术产业创新活动知识产权保护。高技术产业83.75%的企业主营产品拥有自主品牌，比全省工业高51.49个百分点；57.5%申请了专利，比全省工业高48.21个百分点；62.5%注册了商标，比全省工业高42.18个百分点；67.5%进行了技术秘密内部保护，比全省工业高47.18个百分点，可见高技术产业注重知识产权的保护。
从高技术主要行业看，医药制造业拥有自主品牌比率为87.38%，但其申请专利的比例仅为55.34%；航空航天器制造业申请专利以及开展技术秘密内部保护比例的比例高达91.30%，拥有自主品牌比例也达82.61%，是知识产权保护做得最好的行业；电子通信设备制造业在拥有自主品牌、申请专利、注册商标以及开展技术秘密内部保护的比重分别只有76.47%、41.18%、29.41%和64.71%。
三、调研数据分析结论
1、高技术产业创新活跃度高。近九成的企业开展了创新活动，但占比重最大的医药制造业创新不足。创新活动主要依赖于企业自主研发，自主创新比重高；而与高校、科研院所的合作创新不足，集团创新比例低。
2、高技术产业原始创新、集成创新和消化吸收再创新的比例普遍高于全省工业企业。并且产品创新和工艺创新都注重原始创新，比例最高。
3、高技术产业创新资金来源渠道比较单一。经费来源结构主要由企业资金、金融机构贷款和政府资金组成，无风险资金投入。创新经费支出主要是内部R&D支出，外部R&D、机器设备和软件支出及从企业外部获取相关技术的经费支出较少。
4、创新产出能力逐渐加强，比全省基本创新情况好，但产品创新水平较低。 从事国际新产品的技术创新的企业比重很小，多数企业创新活动是在国内和企业层面的创新，且成为企业主要的销售收入来源，不利于新产品在国际市场的竞争力。
5、知识产权保护工作受到企业的普遍重视。知识产权保护的比例比全省其他工业高，但医药制造业申请专利比例低。电子通信设备制造业的知识产权保护各项工作都需要加强。
四、对策与建议
1、战略上，应重点选择具有比较优势、有发展前景的行业加大发展，谋求局部领域的优势和强势。医药制造业是目前全球最活跃、进展最快、最有前途的产业，贵州在该领域具备资源优势和技术创新基础，应扶持发展。此外，贵州电子通信设备制造业在该产业某些领域的创新能力和产业基础,在全国范围内也具备很强的优势和竞争力，应重点发展。要加强这两个行业在经费支出、产品新颖度、知识产权保护等方面的工作。
2、实施自主创新与模仿创新并举的创新战略。由于自主创新具有较高的风险性，适度引进国外先进技术,并在此基础上努力模仿创新,力图在关键技术与核心技术上突破,形成更多的自主知识产权,对贵州省的高技术产业提高自主创新能力来说无疑是个明智的选择。另外，应加大引进技术与消化吸收的力度,提高引进消化吸收再创新的能力。
3、完善高技术产业发展的投融资机制。欠发达地区高技术产业发展中资金不足是普遍问题。贵州要通过多种途径支持创业期高技术企业，建立高技术产业创业投资资金和融资担保资金，还要促进外部资本市场的发展。加强引导扶持有条件的企业上创业板市场，形成从国家资金引导、创业投资助推、金融资本支持、上市融资扩张的高技术产业投融资链条。
4、加强区域创新系统建设。产业创新能力受到区域创新系统的影响，区域创新系统通过创造更为有效的资源配置方式而形成区域竞争优势，促进区域经济跨越式发展。在这个系统里面，市场的力量无疑发挥着主导的作用，而政府的扶持、投资及管制也是行之有效的，要充分发挥政府提供公共设施和公共服务的功能。同时，加强企业、高校、科研院所、金融机构、市场中介组织及政府之间的互动可以取得更好的协同效应，形成一个以创新为总体目标的协同互动和交流渗透的网络。良好的创新网络能有效地促进创新,从而促进产业持续发展。
（注：本文为贵州省工业创新调查办公室课题研究项目《贵州省高技术产业企业创新状况研究》成果。）
【参考文献】
[1] 史清琪、尚勇：中国产业技术创新能力研究[M].北京：中国轻工业出版社，2000.
钛及钛合金具有许多优良特性，主要体现在如下几个方面：
1.强度高。钛合金具有很高的强度，其抗拉强度为686—1176MPa，而密度仅为钢的60%左右，所以比强度很高。
2.硬度较高。钛合金(退火态)的硬度HRC为32—38。
3.弹性模量低。钛合金(退火态)的弹性模量为1.078×10－1.176×10MPa，约为钢和不锈钢的一半。
4.高温和低温性能优良。在高温下，钛合金仍能保持良好的机械性能，其耐热性远高于铝合金，且工作温度范围较宽，目前新型耐热钛合金的工作温度可达550—600℃；在低温下，钛合金的强度反而比在常温时增加，且具有良好的韧性，低温钛合金在－253℃时还能保持良好的韧性。
5.钛的抗腐蚀性强。钛在550℃以下的空气中，表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜，故在大气、海水、硝酸和硫酸等氧化性介质及强碱中，其耐蚀性优于大多数不锈钢。
二、钛及钛合金的加工性能
1.切削加工性能
钛合金强度高、硬度大，所以要求加工设备功率大，模具、刀具应有较高的强度和硬度。切削加工时，切屑与前刀面接触面积小，刀尖应力大。与45钢相比，钛合金的切削力虽然只有其2/3—3/4，可是切屑与前刀面的接触面积却更小(只有45钢的1/2—2/3)，所以刀具切削刃承受的应力反而更大，刀尖或切削刃容易磨损；钛合金摩擦因数大，而热导率低(分别仅为铁和铝的1/4和1/16)；刀具与切屑的接触长度短，切削热积聚于切削刃附近的小面积内而不易散发，这些因素使得钛合金的切削温度很高，造成刀具磨损加快并影响加工质量。由于钛合金弹性模量低，切削加工时工件回弹大，容易造成刀具后刀面磨损的加剧和工件变形；钛合金高温时化学活性很高，容易与空气中的氢、氧等气体杂质发生化学反应，生成硬化层，同时进一步加剧了刀具的磨损；钛合金切削加工中，工件材料极易与刀具表面粘结，加上很高的切削温度，所以刀具易于产生扩散磨损和粘结磨损。
2.磨削加工性能
钛合金化学性质活泼、在高温下易与磨料亲和并粘附，堵塞砂轮，导致砂轮磨损加剧，磨削性能降低，磨削精度不易保证。砂轮磨损同时也增大了砂轮与工件之间的接触面积，致使散热条件恶化，磨削区温度急剧升高，在磨削表面层形成较大的热应力，造成工件的局部烧伤，产生磨削裂纹。钛合金强度高、韧性大，使磨削时磨屑不易分离、磨削力增大、磨削功耗相应增加。钛合金热导率低、比热小、磨削时热传导慢，致使热量积聚在磨削弧区，造成磨削区温度急剧升高。
3.挤压加工性能
对钛及钛合金进行挤压加工时，要求挤压温度高，挤压速度快，以防温降过快，同时应尽量缩短高\温坯锭与模具的接触时间。因此挤压模具应选用新型耐热模具材料，坯锭由加热炉到挤压筒的输送速度也要快。鉴于在加热和挤压过程中金属易被气体污染，故还应采用适当的保护措施。挤压时应选择合适的剂，以防粘结模具，如采用包套挤压和玻璃挤压。因钛及钛合金的变形热效应较大，导热性较差，故在挤压变形时还要特别注意防止过热现象。钛合金的挤压过程比铝合金、铜合金、甚至钢的挤压过程更为复杂，这是由钛合金特殊物理化学性能所决定的。钛合金在常规热反挤成形时，模具温度低，与模具接触的坯料表面温度迅速下降，而坯料内部因变形热而温度升高。由于钛合金热导率低，表层温度下降后，内层坯料热量不能及时传输到表层补充，会出现表面硬化层，而使得变形难以继续进行。同时，表层与内层会产生很大的温度梯度，即使能成形，也容易造成变形和组织不均匀。
4.锻压加工性能
钛合金对锻造工艺参数非常敏感，锻造温度、变形量、变形及冷却速度的改变都会引起钛合金组织性能的变化。为更好地控制锻件的组织性能，近几年，热模锻造、等温锻造等先进的锻造技术在钛合金的锻造生产中得到了广泛应用。
钛合金的塑性随温度升高而增大，在1000—1200℃温度范围内，塑性达到最大值，允许变形程度达70%—80%。钛合金锻造温度范围较窄，应严格按(α+β)/β转变温度进行掌握(铸锭开坯除外)，否则β晶粒会剧烈长大，降低室温塑性；α钛合金通常在(α+β)两相区锻造，因(α+β)/β相变线以上锻造温度过高，将导致β脆相，β钛合金其始锻和终锻都必须高于(α+β)/β转变温度。钛合金的变形抗力随变形速度的增加提高较快，锻造温度对钛合金变形抗力影响更大，因此常规锻造必须在锻模内冷却最少的情况下完成。间隙元素(如O、N、C)的含量对钛合金的锻造性也有显著影响。
5.铸造工艺性能
由于钛和钛合金的化学活性高，易与空气中的N、O、N发生剧烈化学反应，且易与铸造中常用的耐火材料发生化学反应。钛和钛合金的铸造，特别是熔模精铸要比铝和钢的熔模精铸难度大得多，需借助特殊手段才能实现。铸钛发展初期，由于铸造工艺的发展落后于压力加工工艺，因此，先选用已有一定变形的中强钛合金，如TiΟ6AlΟ4V，TiΟ5AlΟ2.5Sn等作为铸造合金材料。这些合金至今还在广泛应用。但随着铸钛工艺的发展和应用领域对铸造钛合金各方面性能要求的提高，以及铸件结构复杂程度的加大，过去那种认为“所有的变形钛合金都适合用作铸造合金”的论点应加以修正。随着合金使用温度和工作强度的提高，合金中所添加元素的数量和加入量也相应增加，但同时必须考虑到合金的铸造性能、流动性凝固区间结晶组织、力学性能等等，即合金的化学成分必须根据铸造工艺的要求进行调整。
三、结论
综上所述，钛合金因其优良的性能在航空航天和其他领域有着广泛的应用前景，但也受其加工效率和生产成本的制约。钛的冶炼技术一旦有所突破，其价格也将明显降低。随着钛合金的开发研制、钛材品种的增多及价格的降低，钛在民用工业中的应用将成倍增加，特别是在造船、汽车制造、化工、电子、海洋开发、海水淡化、地热发电、排污防腐等民用领域将获得广泛的应用。与此同时，市场的需求也将加速钛工业与钛材加工技术的发展。
摘要：综述了钛合金材料的应用及研究现状，着重介绍了钛及钛合金的主要特性，加工性能及其在航空航天、军事工业和汽车制造方面的应用，并在此基础上展望了钛合金的发展方向。
关键词：钛合金特性加工性能应用领域
Ti在地壳中的丰度为0.56%(质量分数，下同)，在所有按元素中居第9位，而在可作为结构材料的金属中居第4位，仅次于Al、Fe、Mg，其储量比常见金属Cu，Pb，Zn储量的总和还多。我国钛资源丰富，储量为世界第一。钛合金的密度小，比强度、比刚度高，抗腐蚀性能、高温力学性能、抗疲劳和蠕变性能都很好，具有优良的综合性能，是一种新型的、很有发展潜力和应用前景的结构材料。近年来，世界钛工业和钛材加工技术得到了飞速发展，海绵钛、变形钛合金和钛合金加工材的生产和消费都达到了很高的水平，在航空航天领域、舰艇及兵器等军品制造中的应用日益广泛，在汽车、化学和能源等行业也有着巨大的应用潜力。
［参考文献］
［1］中国航空材料手册编辑委员会：《中国航空材料手册》，中国标准出版社2001年版。
［2］任敬心、康仁科：《难加工材料的磨削》，国防工业出版社1999年版。
［3］杨冠军：《钛合金研究和加工技术的新进展》，《钛工业进展》2001年。
［4］李明怡：《航空用钛合金结构材料》，《世界有色金属》2000年第6期。
［关键词］钛合金特性加工性能应用领域
Ti在地壳中的丰度为0.56%(质量分数，下同)，在所有按元素中居第9位，而在可作为结构材料的金属中居第4位，仅次于Al、Fe、Mg，其储量比常见金属Cu，Pb，Zn储量的总和还多。我国钛资源丰富，储量为世界第一。钛合金的密度小，比强度、比刚度高，抗腐蚀性能、高温力学性能、抗疲劳和蠕变性能都很好，具有优良的综合性能，是一种新型的、很有发展潜力和应用前景的结构材料。近年来，世界钛工业和钛材加工技术得到了飞速发展，海绵钛、变形钛合金和钛合金加工材的生产和消费都达到了很高的水平，在航空航天领域、舰艇及兵器等军品制造中的应用日益广泛，在汽车、化学和能源等行业也有着巨大的应用潜力。
一、钛及钛合金的特性
钛及钛合金具有许多优良特性，主要体现在如下几个方面：
1.强度高。钛合金具有很高的强度，其抗拉强度为686—1176MPa，而密度仅为钢的60%左右，所以比强度很高。
2.硬度较高。钛合金(退火态)的硬度HRC为32—38。
3.弹性模量低。钛合金(退火态)的弹性模量为1.078×10－1.176×10MPa，约为钢和不锈钢的一半。
4.高温和低温性能优良。在高温下，钛合金仍能保持良好的机械性能，其耐热性远高于铝合金，且工作温度范围较宽，目前新型耐热钛合金的工作温度可达550—600℃；在低温下，钛合金的强度反而比在常温时增加，且具有良好的韧性，低温钛合金在－253℃时还能保持良好的韧性。
5.钛的抗腐蚀性强。钛在550℃以下的空气中，表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜，故在大气、海水、硝酸和硫酸等氧化性介质及强碱中，其耐蚀性优于大多数不锈钢。
二、钛及钛合金的加工性能
1.切削加工性能
钛合金强度高、硬度大，所以要求加工设备功率大，模具、刀具应有较高的强度和硬度。切削加工时，切屑与前刀面接触面积小，刀尖应力大。与45钢相比，钛合金的切削力虽然只有其2/3—3/4，可是切屑与前刀面的接触面积却更小(只有45钢的1/2—2/3)，所以刀具切削刃承受的应力反而更大，刀尖或切削刃容易磨损；钛合金摩擦因数大，而热导率低(分别仅为铁和铝的1/4和1/16)；刀具与切屑的接触长度短，切削热积聚于切削刃附近的小面积内而不易散发，这些因素使得钛合金的切削温度很高，造成刀具磨损加快并影响加工质量。由于钛合金弹性模量低，切削加工时工件回弹大，容易造成刀具后刀面磨损的加剧和工件变形；钛合金高温时化学活性很高，容易与空气中的氢、氧等气体杂质发生化学反应，生成硬化层，同时进一步加剧了刀具的磨损；钛合金切削加工中，工件材料极易与刀具表面粘结，加上很高的切削温度，所以刀具易于产生扩散磨损和粘结磨损。
2.磨削加工性能
钛合金化学性质活泼、在高温下易与磨料亲和并粘附，堵塞砂轮，导致砂轮磨损加剧，磨削性能降低，磨削精度不易保证。砂轮磨损同时也增大了砂轮与工件之间的接触面积，致使散热条件恶化，磨削区温度急剧升高，在磨削表面层形成较大的热应力，造成工件的局部烧伤，产生磨削裂纹。钛合金强度高、韧性大，使磨削时磨屑不易分离、磨削力增大、磨削功耗相应增加。钛合金热导率低、比热小、磨削时热传导慢，致使热量积聚在磨削弧区，造成磨削区温度急剧升高。
3.挤压加工性能
对钛及钛合金进行挤压加工时，要求挤压温度高，挤压速度快，以防温降过快，同时应尽量缩短高\温坯锭与模具的接触时间。因此挤压模具应选用新型耐热模具材料，坯锭由加热炉到挤压筒的输送速度也要快。鉴于在加热和挤压过程中金属易被气体污染，故还应采用适当的保护措施。挤压时应选择合适的剂，以防粘结模具，如采用包套挤压和玻璃挤压。因钛及钛合金的变形热效应较大，导热性较差，故在挤压变形时还要特别注意防止过热现象。钛合金的挤压过程比铝合金、铜合金、甚至钢的挤压过程更为复杂，这是由钛合金特殊物理化学性能所决定的。钛合金在常规热反挤成形时，模具温度低，与模具接触的坯料表面温度迅速下降，而坯料内部因变形热而温度升高。由于钛合金热导率低，表层温度下降后，内层坯料热量不能及时传输到表层补充，会出现表面硬化层，而使得变形难以继续进行。同时，表层与内层会产生很大的温度梯度，即使能成形，也容易造成变形和组织不均匀。
4.锻压加工性能
钛合金对锻造工艺参数非常敏感，锻造温度、变形量、变形及冷却速度的改变都会引起钛合金组织性能的变化。为更好地控制锻件的组织性能，近几年，热模锻造、等温锻造等先进的锻造技术在钛合金的锻造生产中得到了广泛应用。
钛合金的塑性随温度升高而增大，在1000—1200℃温度范围内，塑性达到最大值，允许变形程度达70%—80%。钛合金锻造温度范围较窄，应严格按(α+β)/β转变温度进行掌握(铸锭开坯除外)，否则β晶粒会剧烈长大，降低室温塑性；α钛合金通常在(α+β)两相区锻造，因(α+β)/β相变线以上锻造温度过高，将导致β脆相，β钛合金其始锻和终锻都必须高于(α+β)/β转变温度。钛合金的变形抗力随变形速度的增加提高较快，锻造温度对钛合金变形抗力影响更大，因此常规锻造必须在锻模内冷却最少的情况下完成。间隙元素(如O、N、C)的含量对钛合金的锻造性也有显著影响。
5.铸造工艺性能
由于钛和钛合金的化学活性高，易与空气中的N、O、N发生剧烈化学反应，且易与铸造中常用的耐火材料发生化学反应。钛和钛合金的铸造，特别是熔模精铸要比铝和钢的熔模精铸难度大得多，需借助特殊手段才能实现。铸钛发展初期，由于铸造工艺的发展落后于压力加工工艺，因此，先选用已有一定变形的中强钛合金，如TiΟ6AlΟ4V，TiΟ5AlΟ2.5Sn等作为铸造合金材料。这些合金至今还在广泛应用。但随着铸钛工艺的发展和应用领域对铸造钛合金各方面性能要求的提高，以及铸件结构复杂程度的加大，过去那种认为“所有的变形钛合金都适合用作铸造合金”的论点应加以修正。随着合金使用温度和工作强度的提高，合金中所添加元素的数量和加入量也相应增加，但同时必须考虑到合金的铸造性能、流动性凝固区间结晶组织、力学性能等等，即合金的化学成分必须根据铸造工艺的要求进行调整。
三、结论
综上所述，钛合金因其优良的性能在航空航天和其他领域有着广泛的应用前景，但也受其加工效率和生产成本的制约。钛的冶炼技术一旦有所突破，其价格也将明显降低。随着钛合金的开发研制、钛材品种的增多及价格的降低，钛在民用工业中的应用将成倍增加，特别是在造船、汽车制造、化工、电子、海洋开发、海水淡化、地热发电、排污防腐等民用领域将获得广泛的应用。与此同时，市场的需求也将加速钛工业与钛材加工技术的发展。
?ぃ鄄韦A考?A文?A献］
［1］中国航空材料手册编辑委员会：《中国航空材料手册》，中国标准出版社2001年版。
［2］任敬心、康仁科：《难加工材料的磨削》，国防工业出版社1999年版。
［3］杨冠军：《钛合金研究和加工技术的新进展》，《钛工业进展》2001年。
［4］李明怡：《航空用钛合金结构材料》，《世界有色金属》2000年第6期。
探月工程副总指挥、探月与航天工程中心主任李本正介绍说，嫦娥三号卫星将于今年12月在西昌卫星发射中心出发。嫦娥工程分为三个阶段：探、登、驻，其中探就是无人探测器对月球进行科学探测，其中包括“绕、落、回”三期。嫦娥三号任务作为二期工程的主任务，是我国航天器首次在地球以外天体实现软着陆和月球车巡视探测活动。
此次嫦娥三号月球车要完成月面移动、空间技术探测、环境感知、障碍识别、路径规划，自主导航和地面遥测的组合模式，将在我国深空探测多方面实现突破。（耳东/文图）
北斗探空系统开发成功
最近，二院23所北京长峰微电科技有限公司的自主创新项目——北斗探空系统开发成功，中国航天科工又增添了一项新的民用产品。
该系统基于GPS探空系统技术平台进行开发研制，使用北斗导航系统提供的定位信息，可以进行风场、高度和气压的解算，需要时可以同时接收GPS的定位信息进行相互校准，以提高相关气象要素的探测精度，比起GPS探空系统，其标校效率大大提高，数据的一致性与产品的合格率也有大幅提升。
目前，该公司正为参加今年下半年中国气象局举办的国产北斗探空系统的比对而积极做各项准备工作。（杭文）
星载电推进系统地面项目通过评审
近日，星载电推进系统地面集成验证项目顺利通过上级机关组织的立项论证评审，标志着该演示验证项目立项工作取得了实质性进展，即将进入工程实施阶段。
电推进是一种新型航天推进技术，是我国高轨卫星应用的重要发展方向。早在上世纪70年代，中国航天事业的奠基人钱学森院士就高瞻远瞩地提出要开展电推进研究工作。通过近40年的发展，我国电推进技术取得了长足进步，突破了较大口径离子推力器为代表的关键单机。
“十二五”初期，东方红三号B卫星平台战略性地把电推进作为平台的标准配置，使我国电推进工程应用迈出了关键的一步。（航讯）
第二届“飞航杯”大赛启动
未来的飞行器该如何设计，7某项关键技术的解决方案怎样更具创新性？这一系列问题都需要从业者有着足够的想象力。8月31日，中国航天科工集团公司三院三部和中国宇航学会再次启动了为期一年的“飞航杯”全国未来飞行器设计大赛。
本次大赛旨在普及飞航知识，展望未来蓝图，营造创新氛围，搭建交流平台。它将在继承首届大奖赛活动内容的基础上有所突破，在注重飞行器总体设计的同时，新增关键技术创新设计主题，引入“梦想导师”制，增加“梦想开放日”展示环节，采用学术委员会专家评审与大众评分相结合的评审方式，精彩局面值得期待。
本次飞行器设计大赛的官方网站为.cn，协办单位为清华大学、北京航空航天大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学、西北工业大学、南京航空航天大学、浙江大学。
神舟十号搭载人参种子交给澳门科技大学
8月23日，神舟十号飞船为澳门科技大学搭载人参种子交接仪式在北京航天城举行。仪式上，中国航天基金会作为搭载方代表将人参种子交给作为委托方的澳门科技大学。澳门科技大学中药质量研究国家重点研究室与中国农业科学院特产研究所、深圳华大基因研究院、吉林省抚松县人参产业办公室将联合组织专家小组，利用此次搭载神舟十号飞船进行15天太空之旅的人参种子，进行基因分析、品种选育、农学研究、化学分析、生物活性测试、产品研发等工作。
今年6月，由澳门科技大学委托搭载的100克人参种子和31克西洋参种子在神舟十号船返回舱内完成了15天的太空之旅。（杭文）
遥感卫星17号发射成功
参加科学营的100名学生和10名带队教师是通过各市地科协组织和教育局联合推荐的优秀代表。而哈工大是黑龙江省唯一一所全国青少年高校科学营试点大学。高校科学营走进哈工大，能让参加活动的学生提前领略名校风采。
中国工程院院士、哈尔滨工业大学机电控制及自动化系教授、博士生导师、机器人及机电一体化技术专家蔡鹤皋，黑龙江省科协党组成员、副主席杨铭铎，省教育厅副厅长牧童，哈尔滨工业大学副校长张洪涛等出席了开营仪式。杨铭铎发表讲话说，在科学营活动中，营员们可以通过名师座谈领略大师的风采；可以通过科技实践感受科技的魅力；可以通过与大学生座谈明确地规划下一步目标；可以通过校内外的问题活动开阔视野，增进了解，加深交流；可以感受到哈工大“规格严格，功夫到家”这个朴实的校训蕴含的深刻哲理；可以学习到“铭记责任，竭诚奉献；求真务实，崇尚科学；海纳百川，协作攻关；自强不息，开拓创新”的哈工大精神。
开营仪式上，蔡鹤皋院士为师生作了题为“机器人正加快脚步走进人类社会”的首场科学知识普及讲座，介绍了工业机器人、产业机器人等，带着大家在机器人的世界中遨游。他用深入浅出的语言，介绍了机器人技术的基本原理；用生动的图片介绍了机器人在日常生产生活中的重要作用，为参营营员描绘了一幅机器人未来发展的生动画卷。一些参加过全国青少年机器人竞赛的营员表示，院士的讲座让他们了解了最为前沿的机器人知识，进一步坚定了今后从事机器人领域学习研究的信心。
@精彩纷呈的校内外活动
短短的5天时间，高校科学营为青少年提供了与科学研究、高校文化近距离接触的平台，激发了青少年探索科学的热情，培养了青少年的创新精神和实践能力。营员们开阔了视野，释放了青春活力，体验了大学文化和氛围，也展示了现代高中学生的风采。
哈尔滨工业大学分营的活动主题是“体验科学，放飞梦想”，活动以4天的校内活动为主，1天的校外活动为辅。校内活动内容结合哈尔滨工业大学的实际特点，突出利用院士、学者人数众多，科研院所涉及广泛，具有突出的航天背景等特点，有梯度的活动计划充分展示了哈尔滨工业大学在航空航天、机器人科学、材料科学、计算机技术等方面的独有特色，力求通过充分利用学校多种科研教育及校园文化平台，集中体现哈工大文化和精神。
校内活动主要包括院士科普讲座和对话交流，让学生了解前沿科技进展和院士成长成才经历，感受科学精神和科学魅力；参观哈工大航空航天、机器人、材料、计算机等学科的国家、省部级重点实验室、创新实践基地，以及与哈工大在校大学生和学生社团进行科技文化交流。
7月29日，哈工大金属复合材料与工程研究所所长武高辉教授作了题为“金属基复合材料研究现状”的报告，为同学们普及了金属基复合材料的基本概念，以及在国内外的发展历程，并讲解了我国的金属基复合材料的发展之路，同时结合研究的实际，集知识性与趣味性为一体详细讲解了金属基复合材料的应用。
中国工程院院士赵连城为营员们作了科普报告，他的讲座内容并未过多地涉及专业领域的知识，而是结合高考、专业选择、学习方法、择业和理想等高中生非常关心的问题，与营员们进行了交流和探讨。赵院士亲切的话语饱含着人生哲理，不时赢得营员们的热烈掌声。一些营员在报告会后继续与赵院士进行探讨。
7月30日，哈工大教授、俄罗斯宇航科学院外籍院士刘暾在科学营讲座上循循善诱地给100名来自黑龙江各地的中学生作了讲解。从火箭的工作原理，到探月计划，再到空间站建设，在近2个小时的时间里，刘暾教授带领中学生回顾了我国空间科学发展的历程。
除了聆听专家讲座，感受科学精神之外，营员们还参观了历史悠久的哈工大博物馆、种类丰富的哈工大航天馆和极富现代气息的图书馆等地，了解了前沿科技进展及专家成长成才经历。哈工大航天馆是国内高校航天馆中最大的，是一个展望未来我国航空航天壮美发展蓝图的良好平台。在参观过程中，航天馆讲解员为营员们生动地介绍了航天馆的珍贵实物，并配以深入浅出的知识，让营员们对我国航空航天的发展历史有了更深入的理解，让营员们近距离体验了“神舟”五号返回舱、“”系列运载火箭、“东方红”空天卫星的壮美与伟大。
而通过参观哈尔滨工业大学金属基复合材料研究所、机器人研究所、国家水资源重点实验室、大学生机械创新基地等单位，营员们全方位地了解到了哈尔滨工业大学在航天航空、机器人科学、材料科学和计算机技术等领域的鲜明特色，杰出的科技成果激发了营员立志成为科技英才的愿望。营员们还来到马祖光院士雕塑前，了解一代大师的生平事迹，重温马祖光院士平凡而又伟大的一生。
哈尔滨工业大学分营别有特色的一个项目是哈工大外语学院的老师为营员们特设的英语口语训练。教师们结合高中生营员的年龄和学业特点，精心准备了英语交流内容和交流题目，通过朗读、讲解、提问、互动交流、讲演等方式，充分调动了营员们的积极性。营员们一开始比较拘谨，其后慢慢在老师的带动下进入了放松的状态，纷纷举手积极参与到“英语角”的互动交流活动中来。科学营“英语角”互动活动有效地拉近了营员们彼此间的距离，促进了团队合作，提高了营员们的英语口语会话能力，丰富了科学英语专业知识。
与此同时，哈尔滨工业大学还组织营员们先后参观了黑龙江省博物馆、科技馆和黑龙江省动漫文化产业基地，进一步培养营员对科学研究的兴趣。
在闭幕晚会上，多才多艺的营员们奉献了一个又一个自编自演的节目，独舞、小品、合唱、戏剧等精彩纷呈。营员们的创意展示将晚会一次次推向。大学生志愿者也在营员的诚意邀请下加入演出，大家热情相拥，难舍难分。@志愿者为主体的组织模式
在科学营活动的筹备阶段，哈尔滨工业大学成立了科学营哈尔滨工业大学领导小组，加强科学营的组织与落实，在活动初期制订了关于科学营期间接待、后勤保障、宣传等工作以及具体活动的详细工作计划，为后续工作的正常开展奠定了坚实的基础。后勤保障与接待方面，提前作好了各相关职能部门的协调工作，敲定具体细节，结合具体管理办法使工作推进更加高效。同时高度重视活动当中的安全保障工作，在为全体营员购买了安全险的基础上又制订了一整套针对突发状况的应急预案，切实保障科学营期间全体营员的安全。
在活动中，哈工大的组织者根据实际情况将营员划分为多个小组，每组由哈工大1名优秀学生志愿者带队，以点带面，全面掌握每一名营员的状况，使活动方案中的细节得以无遗漏地落实。同时加强了普通高中生营员与志愿者之间的交流与沟通，从一个新的角度为营员们展示了大学生的思想、学习以及生活状态，实现了帮助高中生体验大学生活的工作设想。
最后的实践结果表明，采用志愿者为主体的这种组织模式，使得操作更加简捷，现场状况的处置更加迅疾高效，更为可喜的是，志愿者在几天的志愿服务过程中，与广大营员朝夕相处，不仅给予他们无微不至的照顾，更与他们结下深厚友谊，活动结束之后仍然通过网络交流沟通。
科学营相关活动的组织因为之前巧妙的构思，使得活动的展开丰富紧凑，校内讲座与校外参观实践相结合，整体设置有层次、有梯度。营员们表示在这充实的1周时间内开阔了视野，收获了知识，对于原本遥不可及的大学生活有了全面的了解。
营员感悟
大庆一中 景泓元
这次科学营活动让我获得了见识，我与很多志愿者友谈，与研究者对话，这让我了解了今后我将面临的高考、大学甚至工作将是怎样的图景。走过2个校区，在其间领略了1座大学的文明气息，看到海报栏里关于开办各种讲座的海报，看到运动场边粉笔写下的充满青春气息的留言，这都将成为我脑中不会磨灭的风景。
阿城一中 王启蒙
闭营晚会时，我知道我们已成为彼此最诚挚的朋友，学长们如同哥哥姐姐般的呵护，谢谢你们。尽管不舍离别，但天下没有不散的筵席，就像学长所说，“2012年全国青少年高校科学营黑龙江分营结束了，但我们的友谊永不结束！”
佳木斯第一中学 纪策
全国青少年高校科学营，这是一个充实而美好，生动而有趣，有欢喜有心酸，有兴奋有疲劳的科学营。是它，让我们提前领略到大学生活的丰富多彩；是它，让我们感受到哥哥姐姐们给予我们亲人般的温暖；是它，让我们收获了纯洁的友谊；是它，让我们锻炼且展示了自我。
关键词：增材制造技术；金属快速成型；工程应用；发展趋势
中图分类号：TB47 文献标志码：A
增材制造技术又称快速成型技术（RapidPro－totyping，RP），是20世纪80年代中期发展起来的一种利用材料堆积法制造实物产品的一项高新技术．该技术借助计算机、激光、精密传动和数控等手段，将计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）集成于一体，以逐层累积的建造方式在短时间内直接制造产品样品，无需传统的机械加工设备和工艺，显著地缩短了产品开发的周期，增强了企业的竞争能力［1］．相比传统机械制造方法，增材制造技术可以实现任意复杂结构模具等的快速制造，在单件或小批量生产用机械制造过程中，具有制造成本低，周期短的优势，因此广泛应用于机械制造业［2］．
1增材制造技术发展现状
1．1增材制造技术在国外的发展
增材制造技术最早出现在1892年，美国Blan－ther用分层制造法构成地形图并申请了专利，开启了该技术发展的序幕．20世纪80年代，RP技术经历了快速及根本性的发展，仅在1986～1998年期间注册的美国专利就有274个［3］．美国的3DSystems公司于1988年生产出了世界上第一台液态光敏树脂选择性固化快速成型机（SLA－250）．20世纪90年代后期，出现了3DP、SDM、SGC、FDM等十几种不同的快速成型技术．2012年美国总统奥巴马为重振美国制造业提出一系列计划，将3D打印技术列为11项重要技术之一．英国技术战略委员会“未来的高附加值制造技术展望”中，把增材制造技术列为提升国家竞争力，应对未来挑战的22个应优先发展技术之一［4］．目前，美国Ford汽车公司和DuPont公司已经在他们的生产线上采用RP技术，美国Pratt＆Whitney公司已应用RP技术制造铸造熔模．欧洲和日本等国家也不甘落后，纷纷进行RP技术及设备研制等方面的研究工作，如德国的EOS公司、以色列的Cubital公司以及日本的CMET公司等［3］．近年来，采用RP设备最积极的地区是东亚，尤其是韩国、香港、新加坡［5］．国外RP技术在航天航空、汽车交通、医疗器械、艺术创作等多个领域得到应用．
1．2增材制造技术在国内的发展
我国于90年代初才开始增材制造技术研究，虽短短20余年时间，却得到了工业界的高度重视，发展迅速．2013年，国内媒体纷纷报道，将RP技术称为“3D打印—无所不能的未来”［6］、“几乎颠覆传统的制造模式”［7］等．我国已拟定增材制造技术路线图和中长期发展战略，中国工程院2012年1号文件内容即为进行“增材制造技术工程科技发展战略的研究”，成立了由华中科技大学、西安交通大学、清华大学、北京航天航空大学、西北工业大学和国防科工委625所等专家组成的工作组，并已在2013年3月提交相关咨询研究报告［4］．目前，我国已初步形成增材制造设备和材料的制造体系．部分国产设备已接近或达到美国公司同类产品的水平，设备及材料价格便宜．在国家科学技术部的支持下，我国已在深圳、天津、上海、西安等地建立一批向企业提供快速成形技术的服务机构，推动了增材制造技术在我国的广泛应用．另外，我国的部分科研院所和企业已研发出光固化、金属熔敷、生物制造、陶瓷成形、激光烧结、金属烧结、生物制造等类型的增材制造装备和材料［8］，取得了很好的效果．但与工业化国家相比，我国RP技术的研究和应用尚存在一定的差距．
2增材制造技术基本成型原理与工艺
2．1增材制造技术的原理
增材制造技术是采用离散∕堆积成型的原理，通过离散获得堆积的路径、限制和方式，经过材料堆积叠加形成三维实体的一种前沿材料成型技术［9］．其过程为：对具有CAD构造的产品三维模型进行分层切片，得到各层界面的轮廓，按照这些轮廓，激光束选择性地切割一层层的纸（或树脂固化、粉末烧结等），形成各界面并逐步叠加成三维产品［10］．由于增材制造技术把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在没有模具和工具的条件下生成任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性［11］．增材制造技术体系可分解为几个彼此联系的基本环节：三维模型构造、近似处理、切片处理、堆积成形、后处理等．增材制造过程如图1所示．
2．2增材制造技术的制造工艺
随着CAD建模和光机电一体化技术的发展，增材制造技术的工艺发展很快，按照所用材料和建造技术的不同，目前投入应用的已有十余种工艺方法．其中发展较为成熟的主要有光固化立体成型、分层实体制造、选择性激光烧结等．上述工艺发展较为成熟，在此不再赘述．金属直接成形法可以实现具有较高致密度和力学性能产品的快速制造，但工艺难度大，因此整体还处于技术研究阶段［2］．现将发展潜力较大、较前沿的金属直接成型工艺进行重点介绍．2．2．1激光立体成形技术激光立体成形技术（LSF）是在快速成形技术和大功率激光熔覆技术蓬勃发展的基础上迅速发展起来的一项新的先进制造技术［12］．该技术综合了激光技术、材料技术、计算机辅助设计、计算机辅助制造技术和数控技术等先进制造技术，通过逐层熔化、堆积金属粉末，能够直接从数据生成三维实体零件，具有无模具、短周期、近净成形、组织均匀致密、无宏观偏析等优点［13］．这项技术尤其适用于大型复杂结构零件的整体制造，在航空航天等高技术领域具有广阔的发展前景．目前，LSF的研究不断取得突破性进展，发展迅速．如西北工业大学凝固技术国家重点实验室，在国内率先提出LSF发展构思，并研发一套完整的高性能致密金属零件的激光立体成形理论、技术与装备，荣获陕西省科学技术一等奖［14］．近年来，LSF在大型钛合金构件的研究方面取得重大突破，解决了其变形控制、几何尺寸控制、冶金质量控制、系统装备等方面的一系列难题［4］，如试制成功C9飞机翼肋TC4上下缘条构件．另外，LSF在一些理论研究方面也取得一些进展，如激光成形凝固组织的理论分析；TC4合金的α＋β两相组织控制、断裂韧性、疲劳性能的研究；激光立体成形镍基合金室温拉伸和高温持久性能研究等．LSF在航空航天领域的设备修复、激光组合制造、现场维修和再制造以及医用植入体应用等领域已得到广泛应用．其中，航空航天领域研究进展显著，如航空航天高性能薄壁零件的成形、挽救常规技术不可修复的航空发动机零件、修复高推重比航空发动机整体叶盘、尾气能量处理透平机0Cr17Ni4Cu4Nb叶轮修复［4］等．LSF发展较快，已在国内外获得广泛应用，还须在工艺研究进一步系统化、理论研究继续深化、发展激光涂覆过程的实时观测技术、开发适用于该技术的合金材料、成形精度与成形速率如何达到最佳匹配［15］等方面加大研究力度．2．2．2激光选区熔化工艺激光选区熔化工艺（SLM）是激光选区烧结技术的一种升级和衍生，是直接进行金属打印的最新前沿技术之一．该技术为将零部件CAD模型分层切片，采用预铺粉的方式，扫描镜带动激光束在计算机控制下沿图形轨迹扫描选定区域的合金粉末层，使其熔化并沉积出与切片厚度一致、形状为零件某个横截面的金属薄层，直到制造出与构件CAD模型一致的金属零件［16］．其工艺原理图如图2所示，SLM制造激光功率一般在数百瓦级，精度高（最高可达0．05mm），质量好，加工余量小．除精密的配合面之外，制造的产品一般经喷砂或抛光等后续简单处理就可直接使用．该技术烧结速度快，成型件质量精度高，适合中、小型复杂结构件，尤其是复杂薄壁型腔结构件的高精度整体快速制造［16］．SLM可为生产高精密、复杂器件提供全新的制造方法，应用前景广阔．如：美国GE公司在各大型企业中率先成立金属材料激光熔化增材制造研发团队，并在LEAP喷气发动机中采用SLM制造燃油喷嘴；美国NASA马歇尔航天飞行中心于2012年采用激光选区熔化成形技术制造了复杂结构金属零部件样件，用于“太空发射系统”重型运载火箭；2013年8月，NASA对SLM制造的J－2X发动机喷注器样件进行了热试车试验并获得成功；美国加利福尼亚大学圣迭戈分校太空发展探索团队用3D打印方法制造火箭发动机推力室组件等［16］．在设备开发方面，早在2004年，华南理工大学与北京隆源合作，在国内选区激光烧结设备的基础上首先开发出选区激光熔化快速制造设备Dimetal－240．2012年，华南理工大学研发出最新精密型Dimetal－100成型机［17］．目前，各研究机构一直致力于高（变）致密度、成型角度、薄壁、力学性能等基础研究，适用于该技术的各种金属材料及工艺研究有待开发．
3增材制造技术的应用典型
3．1设计验证方面的应用
增材制造技术在设计验证方面应用广泛，可应用于航天系统功能性风扇组装、进行功能性和声响测试，使得模拟实际旋转速度达15000r／min，遴选出问题解决方案，节约成本［18］．保时捷将其用于功能性测试，以便分析冷冻液流动特性，改变设计以减少紊流．另外，美国GE公司采用增材制造技术用1个零件代替原设计20个零件组成的飞机发动机喷嘴，减重25％，增效15％，制造成本大幅度降低，已大批量生产；美国公司还采用增材制造技术，成形了能耐热3300°C的复合材料航天发动机零件，使其成为“龙飞船2号推力达到龙飞船1号推力的200倍”技术的关键［19］．增材制造技术还可应用于机器人表面映射反馈辅助原型设计［20］、光弹应力分析等．光弹应力分析时，需将作用于激光快速原型工件上的应力可视化，以识别设计不足的区域．图3为增材制造技术设计验证的部分应用.
3．2模具制造方面的应用
增材制造技术在模具制造方面的应用广泛，主要分为软模具制造和硬模具制造．利用真空浇注软硅胶模翻模技术，可生产小批量的类似工程塑料、聚氨酯等产件．快速铸造方面，光敏树脂消失法铸造可一次完成铸造成型，周期短，机械性能好［21］．嘉陵集团利用该技术用于摩托车发动机缸头研制，获得了巨大的经济效益．光固化原型与砂型结合铸造技术应用也较为广泛，如研发新型四缸柴油发动机缸盖［18］、开发汽车零部件［22］等．快速成形原型直接制造蜡型模具可用于小批量精铸，大大提高铸件寿命，节约成本．另外，西安交通大学研发出的陶瓷型铸造，铸型外壳、内芯和浆料包裹层一体化设计，使航空叶片铸件合格率由15％提升至85％．东方气轮机厂利用该技术已研发出空心涡轮叶片，大大提高了叶片机械力学性能［18］．目前，最为先进的快速模具制造方法有树脂基复合材料快速制模方法、中或低熔点合金铸造制模、金属电弧喷涂制模等．其中，金属电弧喷涂成型快速制模技术［18］在模具成本、寿命、制造周期、精度等方面具有综合优势，并且模具工作表面具有较好的强度、硬度和耐磨性，模具表面摩擦学特性更接近于钢质模具，是一种较为理想的快速制模方法．其技术原理、设备及制模应用如图4、5所示．快速模具技术可节约成本3／4，缩短生产周期约2／3．提高模具制造精度、开发新材料新工艺、直接制造高强度金属模具等是该技术的重要发展方向．
3．3个性化医疗方面的应用
增材制造技术在医疗模型制造和体外医疗器械［23］、个性化永久植入物制造、组织工程支架制造、细胞打印、器官打印方面应用广泛，现已取得较大进展．如利用增材制造技术制造出高精度连体骨骼模型，成功实现连体婴儿分离［24］等．西安交通大学与第四军医大学联合开展骨替代物制造、定制化人工胫骨半关节大段骨重建术、定制化钛合金半膝关节假体复合大段骨移植、定制下颌骨原型设计［25］等研究，并成功实现中国首例“下颌骨溶解修复”手术［18］．另外，西安交通大学与昆明军区医院联合进行了脊椎手术导航模板制作等研究，进一步扩展了个性化永久植入物的应用领域．采用TCP材料，西安交通大学积极开展基于光固化原型的支架制作人工活性骨支架研究，取得一定的科研进展．图6所示为利用3D打印技术制作的脊椎手术导航模板．
4增材制造技术的发展趋势
目前，增材制造技术存在许多问题，如材料方面限制、成形精度与成形速度的矛盾、设备及材料的价格昂贵等．在未来的发展中，该技术将会在新材料及创新工艺［26］、装备与关键器件、与传统工艺相结合等方面展开更深入的研究．另外，增材制造技术要克服一些技术瓶颈，实现关键技术环节上的突破，如：与传统制造结构保持同样的强度；减小成型过程中的变形，细化光斑、优化材料和工艺［27］，以提高制造精度；进行工艺创新与优化，提高光束能量以提高制造效率［18］等．现阶段，该技术将重点研究陶瓷零件制造、复合材料制造、聚合物喷射快速原型制造［28］、金属直接制造等，如：利用光固化原型技术，使支撑结构中组织发生变化制作碳化硅复合材料零件；使用高介电陶瓷材料，构造复杂型腔结构实现微波负折射功能，进行光子晶体制造，完成传统制造技术难以制作的内外形结构；深入研究金属直接成形自愈合原理，进行高温合金叶片制作实现金属直接制造［18］等．增材制造技术在工艺研究方面，存在许多具有潜力的研究方向．如：建立多层激光直接成形的自稳定机制并利用粉末负离焦技术制造薄壁，使工件侧面平均粗糙度达到10．04μm；充分研究叶片制造中的曲率效应，实验发现曲率大处熔化严重；进行空心叶片扫描路径设计与实验研究，以轮廓、光栅（方向优化）、分区的路径选择扫描复杂空心叶片，减少空行程，节约粉末；依据液氮控制冷却梯度，对空心叶片定向晶组织进行控制［18］等．在生物组织制造方面，增材制造技术潜力巨大，应用前景广阔，如：进行肝组织支架制造，通过仿生流道和定向多孔结构促进肝细胞向支架内生长，研究支架／细胞复合体用于修复肝缺损的有效性［29］；对细胞打印和器官打印等生物医学前沿领域研究探索［18］等．另外，将增材制造技术与传统工艺相结合，进行小批量制造，可发挥倍增效益，是该技术发展的一大趋势．
5结语
