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内容简介

　　“未来10年中国学科发展战略”丛书是国家自然科学基金委员会和中国科学院学部历时两年多联合开展研究的重要成果，凝聚着600多位院士、专家的智慧和心血，对广大科技工作者洞悉学科发展规律、了解前沿领域和重点方向及开展科技创新等有重要的参考价值，对促进我国学科均衡、协调、可持续发展必将发挥积极作用。
　　本书全面总结了近年来工程科学的研究现状和研究动态，客观分析了学科发展态势，从学科的发展规律和研究特点出发，前瞻性地思考了学科的整体布局，提出了工程科学的重要科学问题、前沿方向及我国发展该学科领域的政策措施等。
　　本书不仅对相关领域科技工作者和高校师生有重要的参考价值.同时也是科技管理者和社会公众了解工程科学发展现状及趋势的读本。

目录

总序（路甬祥陈宜瑜）
前言
摘要
Abstract

第一章 工程科学总论
第一节 工程学科的特点与发展规律
一、工程学科的特点
一、工程学科的发展规律
第二节 工程学科的科学前沿、国家需求与发展战略目标
一、工程学科的科学前沿
二、我国工程学科面临的国家重大需求与发展战略目标
第三节 工程学科的优先发展领域
一、资源高效安全开采基础理论与关键技术
一、冶金与材料制备过程中的界面科学问题
三、复杂机电系统的功能原理与集成科学
四、高性能零件／构件精密制造
五、城乡建筑节能设计原理与技术体系
六、饮用水复合污染机制、毒性效应与控制原理
七、变化环境下我国水资源高效利用及对河流过程与河口演变的影响机制
八、大型水电站建设与安全运行的关键技术与基础科学问题
第四节 工程学科的重大交叉研究领域
一、资源高效利用与环境的相互作用规律
一、生物制造与仿生制造
三、工程结构系统全寿命性能设计与控制
四、环境变迁中的城市科学
五、深海工程和新型船舶的基础理论与前沿技术
第五节 资助政策与建议

第二章 冶金与矿业工程学科
第一节 总论
一、冶金与矿业工程学科的战略地位
二、冶金与矿业工程学科的总体发展趋势
三、冶金与矿业工程学科未来5～10年发展战略
四、未来5～10年冶金与矿业工程学科发展的保障措施
第二节 冶金与矿业工程学科主要领域、基础科学问题及优先资助方向
一、难动用储量的资源开采理论和方法
二、矿山灾害防治及工业安全生产中的基础科学问题
三、资源开采中的环境保护理论与方法研究
四、资源开发中的重大基础理论问题
五、低品位、多金属共生矿冶金理论与新技术
六、低排放冶金新工艺与二次资源综合利用
七、金属凝固过程与组织控制
八、材料智能化制备与成形加工的基础科学问题
参考文献

第三章 机械工程学科
第一节 总论
一、机械工程学科的战略地位
二、机械工程学科的总体发展趋势
三、机械工程学科未来5～10年发展战略
四、未来5～10年机械工程学科发展的保障措施
第二节 机械工程学科主要领域、基础科学问题及优先资助方向
一、机构学与机械振动学
二、机械的驱动与传动科学
三、复杂机电系统的集成科学
四、零件与结构的失效与安全服役科学
五、机械表面界面科学与摩擦学
六、生物制造与仿生制造科学
七、高性能精确成形制造科学
八、高能束与特种能场制造科学
九、高精度数字化制造科学
十、机械的制造与运行参数测量科学
……

第四章 建筑环境与土木工程学科
第五章 水利科学与海洋工程学科

精彩书摘

　　《学术引领系列 未来10年中国学科发展战略：工程科学》：
　　一是近终形制造。人们为了提高生产中的工艺出品率、成材率，降低成本，努力使铸锭、铸坯和铸件在形状和尺寸上接近最终产品，以减少锻造、轧制和机械加工工序。在冶金行业，由模铸、连铸、板坯连铸、薄板坯连铸到薄带连铸，连铸技术的诞生和不断改进使铸坯形状和尺寸越来越接近最终产品。在机械制造行业，机械化造型的普及、树脂砂等新型造型材料的使用、离心铸造、压力铸造和精密铸造技术的日趋完善和数值模拟技术的应用，也使近终形铸造成为可能。而金属雾化沉积、微铸造、激光成型等新技术的诞生为近终形制造开辟了新的途径。
　　在近终形制造的实践中，人的认识也在深化。随着产品尺寸的变化，一方面金属的凝固过程发生变化，另一方面对凝固组织的要求也在提高，从而引发了一些新的科学及技术问题。在钢铁冶金中这种现象尤为突出。在由模铸、连铸、板坯连铸、薄板坯连铸到薄带连铸变化中，金属的冷却强度提高，凝固速度加快，流动受到了抑制，夹杂物、穿晶组织、宏观偏析、热裂等问题凸显出来。而由于后续加工压下比减小，对凝固组织和化学成分的均匀性提出了更高的要求。在这样的背景下，金属的流动、传热、凝固过程及组织形成规律的研究显得十分重要，铸坯凝固组织细化和均质化技术的开发变得尤为迫切，并成为制约一些近终形连铸技术发展和应用的限制环节。针对特定工艺和产品条件的金属凝固过程的数值模拟和实验研究，以及凝固组织细化及均质化技术的开发成为冶金和材料加工领域重要的课题。
　　二是特大型铸锭（件）生产。随着大型装备制造业的发展，特别是新能源装备制造业的发展，几十吨甚至数百吨的特大型铸件和铸锭的需求量越来越大，而且对质量的要求日益提高。由于冷却速率极其缓慢，特大型铸件和铸锭组织粗大、宏观偏析和疏松等问题十分突出。研究特大型铸锭（件）凝固过程，合理控制其凝固组织，成为现代装备制造业的重要课题。目前对于特大型铸锭（件）凝固过程的研究主要是采用数值模拟的方法，也有一些学者通过让金属在保温条件下凝固，模拟特大型铸锭的凝固条件，研究其凝固组织。这些研究对特大型铸锭的生产有重要的参考价值，但是目前的研究还不够成熟。需要深入研究缓慢冷却条件下金属的凝固过程及组织形成规律，特别是宏观偏析及疏松形成的机制和条件。
　　三是细化和均质化凝固理论和新技术。不论是机械制造业中的铸件，还是冶金中的铸坯和铸锭，不论是近终形连铸，还是特大型铸锭（件），凝固组织细化和均质化都具有十分重要的意义，受到装备制造业和冶金界的关注。细化和均质化金属凝固组织不仅可以提高材料的力学性能，减小宏观偏析，而且可以极大地改善材料的工艺性能，减少生产中热裂、偏析和热变形等凝固缺陷。在连铸生产中，无论从工艺角度考虑，还是从内在质量考虑，细化和均质化金属凝固组织对于发展近终形连铸，拓宽近终形连铸的应用钢种及领域都具有深远的意义。虽然低过热度浇注、电磁搅拌和动态轻压下等技术的开发和应用，提高了铸坯的凝固质量，特别是中心的偏析得到改善，但是特大型方坯连铸、特厚板坯（300～400毫米）连铸的凝固质量还未得到根本的改善。其主要原因是随着铸坯尺寸的增加，铸坯表面的水冷对铸坯中心的冷却作用越来越弱。而对于特大型铸锭（件），通过细化和均质化金属凝固组织，可以减少锻造量，其经济效益也是十分可观的。关于金属凝固组织细化技术，在铸造领域过去较多采用孕育处理和变质处理，而在冶金领域则有低温浇注、电磁搅拌、轻压下和氧化物冶金等技术。近年来，随着物理科学的进步和环境理念的提升，物理场对金属凝固组织细化作用的研究成为热点，我国在这一领域有群体优势，并有望开发出工业技术。这里涉及的重要基础科学问题包括物理场下金属熔体热力学性质、物理场对金属熔体流动、生核及晶体生长和溶质分配影响的规律和机制。此外，对于模铸、大方坯和厚板坯，研究直接从铸坯或钢锭内部进行冷却控制凝固进程和组织的新方法也很有必要。
　　四是微观凝固过程的认知。传统的凝固理论是基于唯象的热力学和动力学基础提出的。在传统理论中，物质是连续介质，原子分子不可分辨。而凝固过程是一个典型的微观动力学过程，晶胚的出现和湮没、晶核的长大、晶界的移动和变形等现象都是原子可分辨的空间尺度的动力学过程。随着当前包括物理、化学、材料、地学等领域的研究在全空间尺度的展开，微观动力学研究中的一个热点就是对微观凝固过程的观察和再现，并借此修正传统凝固理论，以适应当前对材料各种成分、组织、性能的精确控制要求。
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