微米/纳米技术在机械加工中的应用

摘要:本文主要介绍了微细加工技术、精密测试技术、微系统技术等微米技术和以纳米电子技术、纳米机械技术、纳米材料技术、纳米加工技术为主的纳米技术。

关键词:微米技术;纳米技术;微细加工技术;纳米电子技术;纳米机械技术

科学技术向微小领域发展,由毫米级、微米级继而涉足纳米级,人们把这个领域的技术称之为微米/纳米技术(Micro& Nano-Technlogy)。

当前,微米/纳米技术在国际上已使人类在改造自然方面进人一个新的层次,即以微米层次深人到原子、分子级的纳米层次,它作为21世纪出现的高技术,发展十分迅猛,并由此开创了纳米电子、纳米材料、纳米生物、纳米机械、纳米制造、纳米测量等新的高技术群。

一、微米技术

1.微小尺度的设计理论研究

微型系统的设计并非简单的机械微小化,而需要从物理及物质相互作用等方面进行重新研究,形成一整套的设计理论与方法。其研究重点应包括微动力学、微流体力学、微热力学、微机械学、微光浒学等,并且注重现代设计方法如CA0技术、仿真与虚拟现实技术等在微型系统设计中的应用,通过上述研究,解决微型系统设计中的尺寸效应`表面效应、误差效应及材料性能等的影响。

2.微细加工技术

微细加工技术包含超精机械加工、IC工艺、化学腐蚀、能量束加工等诸多方法。对于简单的面、线轮廓的加工,可以采用单点金刚石和CBN(立方氮化硼)刀具切削、磨削、抛光等技术来实现,如激光陀螺的平面反射镜和平面度误差要求小于30nm,表面粗糙度Ra值小于1hm等。而对于稍微复杂一点的结构,用机械加工的方法是不可能的,特别是制造复合结构,当今较为成熟的技术仍是IC工艺硅加工技术,如美国研制出直径仅为60~120um的硅微型静电电动机等。

3.精密测试技术

具有微米及亚微米测量精度的几何量与表面形貌测量技术亦已成熟,如具有0.01um精度的HP5528双频激光干涉测量系统,具有0.01 um 精度的光学与触针式轮廓扫描系统等。因此,目前精密测试技术的一个重要研究对象是微结构的力学性能,

4.微系统技术

在研究微系统设计、加工、测量的基础上,国内外较广泛地开展了微型传感、微执行机构、微电子信号处理等方面的研究工作,如已制作出微型力传感器、微型泵、微电机等。

二、纳米技术

纳米技术通常指纳米级0.1~100nm的材料、测量、控制和产品的技术。

纳米技术是科技发展的一个新兴领域,它不仅仅是将加工和测量精度从微米级提高到纳米级的问题,而是人类对自然的认识和改造方面,从宏观领域进人到物理的微观领域,深人了一 个新的层次,即从微米层深人到分子、原子级的纳米层次。

1.纳米电子技术

在过去的们年里,晶体管的特征尺寸由10mm减小到小于1 um ,现在可实现在一个集成片上包含100万个单元,对于这种尺度的电子线路,宏观规律仍旧有效,然而未来一二十年的科技发展使尺寸进一步缩小10~100倍进人到纳米尺度,量子力学及电子的波动性就不能不再考虑了。

⒉纳米机械技术

纳米机械技术包括的领域很广,其研究基础包括纳米加工过程的动力学模拟、纳米构件与表面分子工程、纳米摩擦学等,这里所指的纳米机械是能实现纳米尺寸上某种功能的机械,如纳米制造设备及纳米执行器,纳米执行器能实现纳米尺度的移动与定位。

3.纳米材料技术

纳米材料技术是发展最早且研究最深人的学科。纳米材料由于其结构的特殊性,如大的表面比、小尺寸效应、界面效应、量子效应和量子隧道效应等一系列新的效应,使纳米材料出现许多不同于传统材料的独特性能,从而使其在未来新材料上充当角色,如隐身材料,高灵敏度、高响应的传感材料,多功能复相陶瓷材料等。

4.纳米加工技术

纳米加工技术的发展面临两大途径:一方面是将传统的超精加工技术,如机械加工(单点金刚石和CBN刀具切削、磨削、抛光)(电化学加工(ECM)、电火花加工(EDM)、离子和等离子体蚀刻、分子束外延(MBE)、物理和化学气相沉积、激光束加工(LIGA)技术等向其极限精度逼近,使其具有纳米的加工能力。另一方面,开拓新效应的加工方法,如STM对表面的纳米加工,可操纵原子和分子,并对表面进行刻蚀。如美国的IBM公司利用STM将35个原子排出“IBM”三个字样,且在硅片上覆盖一层20nm厚的聚甲基丙烯甲酯(PMMA),再利用STM光刻,得到10nm宽的线条等。

5.纳米测量技术

以上所涉及有关纳米技术的研究,均离不开对它们的分析测试工作-纳米测量技术,或称之为纳分析和纳探针技术。其中,纳探针技术发展迅速并较为成熟,随着20世纪80年代STM的出现,使人们能直接观察到物质表面的原子结构,把人们带到了微观世界。

参考文献

[1]王明耀,张兆隆.机械制造技术(K).中高等教育出版社,2002(297-298)

[2]安美玲.机械基础(K).电子工业出版社,2007(211-218)

[3]魏康民.机械制造技术(K).机械工业出版社,2006,2(69-280)

作者简介

韩淑敏(1965—),女,汉,山东掖县族,本科,职称:教授,职务:教师,毕业院校:东北大学,专业:机械制造,主讲:机械基础 机械制造工艺 数控

微米/纳米技术在机械加工中的应用

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