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精密仪器与装备关键技术

发布时间:2019-06-23  发布者:亿创量具
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  • 精密仪器与装备的发展涉及众多学科且相互交叉,以下仅就较为熟悉的光学、材料、精密机械、电子、通信与控制等进行简要分析和探讨。

    1材料科学

    在精密仪器与装备中,材料的性能具有决定性的影响。既包括发光材料、光学传输材料、光电转换材料等功能性材料,也包含用于构建仪器本体的结构材料。

    反射镜是各种大型天文望远镜的关键技术,随着口径的提高,温度变化对反射镜面型的影响越加明显。目前大口径地基望远镜反射镜材料均为低膨胀系数材料,主要有肖特的微晶玻璃和康宁的ULE玻璃两类,较大单体口径均达到8m以上,采用拼接技术,较大口径甚至达到30m。而目前国内用于天文观测的望远镜较大单一口径仅为2.16m,拼接口径较大仅6.7m与天文观测水平差距明显。在空间应用方面,采用SiC材料,口径达到3.5m的Herschel望远镜已于2009年升空,4m级SiC材料,但仍难以弥补大口径反射镜材料方面的巨大差距。

    大理石平台在结构材料方面,碳纤维强度是钢的20倍,拉伸模量是钢的2~3倍,比重仅为钢的1/4抗拉强度是钢的7.9倍,是火箭、卫星、导弹、战斗机和舰船等武器装备的战略基础材料。我国虽然产量不小,但产品应用主要集中在体育体闲、高尔夫和钓鱼竿等低端产品领域,航空航天领域应用仅占2%,难以满足高端产品中的碳纤维需求。近年国内陆续有企业报道研制成功高强度T800、T1000材料。但在高弹性碳纤维方面,国内仍有很长的路要走。在国产T800的材料报道中,一个尴尬现象是,测试采用的仪器绝大多数为进口产品:直径测量仪来自日本,表面粗糙度和力学测试仪来自美国,表面成分和力学性能测试仪来自英国,只有剪切强度采用国产仪器。

    2光学技术

    光学技术在精密仪器与装备中应用广泛,许多精密测量都依赖光学技术。激光器作为一种理想的测量用光源,2016年我国产业市场规模在236亿元左右,但在精密仪器与装备领域所需要的高性能激光器仍主要依赖进口,包括高功率、高稳定性、窄线宽等特殊性能激光器。在工业上广泛应用的大功率光纤激光器,近年来虽国产屡有突破,成本优点明显,但高端产品方面,仍需要后续市场检验。

    光学系统的创新设计,不断提高仪器系统的整体性能。美国的空间监视望远镜(SST)创新性地采用曲面焦平面CCD,结合3.5m大口径,1.0大光圈设计,在紧凑的体积内,实现了的大视场,使其成为世界上较快和较敏捷的大型望远镜,一个晚上能在其视场内对整个地球同步轨道带进行多次观测,而以往常常需要数周时间。从同轴系统到离轴系统,从球面到自由曲面,我国长期处于追踪状态,虽不断取得技术突破,但在创新性方面仍有较大差距。特别是如今光学设计主要工具软件,包括成像、照明、仿真等基本都被国外产品所垄断。在光电探测器方面,国内高性能探测器市场基本全面被国外所占领。无论是单点的APD探测器,还是阵列的CCD,CMOS探测器,国内都难以与巨头正面抗衡。2015年时,CMOS成像器件的市场达到103亿美元,国内的格科威依靠成本优点,在低端市场占有较大份额,索尼、三星等牢牢占据了高端消费市场,而Dalsa,Hamamatsu等则占据着高端科研市场,许多科研急需的探测器长期受到禁运影响,项目无法顺利开展。长光所引进国外团队,成功实现了高端CMOS的国产化,2016年销售收入达到5000万元。

    3精密机械

    精密仪器与装备较早即起源于精密机械,虽然光、电等技术的的加入大大丰富了精密仪器的内涵,但精密机械技术仍然是现代精密仪器与装备的核心内容之一,并产生了许多新的发展。

    大理石平台在机械支撑方面,轴承是较基础的部件产品。2015年,我国轴承产量超过220亿套,销售额超过3500亿元,但从目前我国轴承行业的产品结构来看,占大数的还是技术含量比较低的通用轴承,而作为主机重点配套的高精度高技术含量的轴承,无论是产品种类还是技术含量的高低都暂时无法跟国外的企业比较。高速动车组轴承、高速高精度冶金轧机配套轴承、高速高精度数控机床轴承和电主轴等基本靠进口。

    在精密传动方面,精密仪器核心部件通常需要定位和快速调整,许多高精度产品仍存在禁运限制。长春光机所研制世界较大面积中阶梯衍射光栅刻划机中采用840mm长超零级三角螺纹丝杠,周期误差200nm累计误差优于5μm,采用手工研磨方式生产,难于形成大规模的低成本生产,产业中广泛应用的高精度丝杠仍大范围依赖进口。在工业机器人中,减速机占据整体成本的35%,是技术壁垒较高的关键零部件。目前,世界75%的精密减速器市场被日本的哈默纳科和纳博特斯克占领。

    大理石平台在机械加工方面,超精密加工的精度已经进入到纳米阶段。美国有30多家公司研制和生产各类超精密加工机床,劳伦斯利佛摩尔实验室(LLNL)、摩尔(Mooxa)公司等在超精密加工技术领域久负盛名;日本有20多家超精密加工机床研制公司,重点开发民用产品所需的超精密加工设备,支撑相机、电视、复印机、投影仪等民用光学行业的快速发展;德国、瑞士精密加工设备世界闻名、英国也已成立了纳米技术战略委员会;国内长春光机所在光刻镜头、大口径反射镜加工等领域自主研制了一系列精密加工装备与工艺,但我国整体与国外相比仍有较大差距。


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