納米技術(shù)與機械

納米材料制納米技術(shù)與機械納米技術(shù)與機械面向21世紀的納米機械學(xué)s隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們在不斷追求機械裝置的小型化、微型化，希望以盡可能小的能耗以及最少的物質(zhì)消耗來滿足生物、醫(yī)學(xué)、航天航空、數(shù)字通信、傳感技術(shù)、靈巧武器等領(lǐng)域日益增長的要求。微小型化始終是當代科技發(fā)展的方向。以制造毫米以下尺寸的機構(gòu)和系統(tǒng)為目的的微/納米技術(shù)，一方面利用物理、化學(xué)方法將分子和原子組裝起來，形成有一定功能的微/納米結(jié)構(gòu)；另一方面利用精細加工手段加工出微/納米結(jié)構(gòu)。前者導(dǎo)致了納米生物學(xué)、納米化學(xué)等邊緣科學(xué)的產(chǎn)生；后者在小型機械制造領(lǐng)域開始了一場革命，導(dǎo)致了微型機電系統(tǒng)(MicroElectro-MechanicalSystem,MEMS)的出現(xiàn)。MEMS與傳統(tǒng)(宏觀)機電系統(tǒng)相比，由于微型機械在尺度、構(gòu)造、材料、制造方法以及工作原理等諸多方面與傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)全然不同，故作為微型機電系統(tǒng)研究與設(shè)計基礎(chǔ)的納米機械學(xué)(nanomechanics)在學(xué)科基礎(chǔ)、研究內(nèi)容及研究方法等各個方面也明顯有別于傳統(tǒng)機械學(xué)，是一個相對獨立的新興學(xué)科。根據(jù)微機械的特點和發(fā)展情況，現(xiàn)階段納米機械學(xué)的主要研究內(nèi)容包括：1、研究機械中的運動變換和動力傳遞，以及機械系統(tǒng)在運動過程中動態(tài)特性的微機構(gòu)學(xué)；2、研究適用于制造微型構(gòu)件而性能獨特的材料及其在環(huán)境影響下的變形響應(yīng)和失效規(guī)律的微結(jié)構(gòu)材料力學(xué)；3、從原子、分子尺度出發(fā)，研究相互接觸運動界面上的作用、變化及損傷機理和對策的納米摩擦學(xué)；4、研究與納米機械原理、制造及應(yīng)用相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)等；5、將納米機械學(xué)應(yīng)用于研究特定機械系統(tǒng)的如微機器人等。納米技術(shù)在微機械領(lǐng)域中的應(yīng)用[2]隨著納米技術(shù)應(yīng)用途徑的不斷拓寬，微機械的開發(fā)在全世界方興未艾〃例如&進入人體的醫(yī)療機械和管道自動檢測裝置所需的微型齒輪、電機、傳感器和控制電路等。制造這些具有特定功能的納米產(chǎn)品，其技術(shù)路線可分為兩種：一種是通過微加工和固態(tài)技術(shù)，不斷將產(chǎn)品微型化B二是以原子、分子為基本單元，根據(jù)人們的意愿進行設(shè)計和組裝&從而構(gòu)筑成具有特定功能的產(chǎn)品。納米技術(shù)的制造：1、采用微加工技術(shù)制造納米機械：微細加工，微型機器人，微型電機2、采用自組裝技術(shù)制造納米機械；生物物件，納米分子電動機淺談納米技術(shù)及其在機械工業(yè)中的應(yīng)用[3]納米技術(shù)在微機械領(lǐng)域中的應(yīng)用：隨著納米技術(shù)應(yīng)用途徑的不斷拓寬.微機械的開發(fā)在全世界方興未艾。例如.進入人體的醫(yī)療機械和管道自動檢測裝置所需的微型齒輪、電機、傳感器和控制電路等。制造這些具有特定功能的納米產(chǎn)品。其技術(shù)路線可分為兩種：一是通過微加工和固態(tài)技術(shù).不斷將產(chǎn)品微型化；二是以原子、分子為基本單元，根據(jù)人們的意愿進行設(shè)計和組裝.從而構(gòu)筑成具有特定功能的產(chǎn)品。納米技術(shù)在包裝機械領(lǐng)域中的應(yīng)用：采用納米材科技術(shù)對包裝機關(guān)鍵零部件（如軸承、齒輪、彈簧等）進行金屬表面納米粉涂層處理，可以提高設(shè)備的耐磨性、硬度和壽命。碳納米管還具有較高的機械強度和較高的熱導(dǎo)率。由于具有非常大的長度一直徑比，可以制造出任何復(fù)雜形狀的零件，是復(fù)合材料理想的增強纖維。目前，用價格低廉的納米塑料制成的齒輪、陶瓷軸承、納米陶瓷蚊輥、電雕輥等印刷包裝機械零件已走進企業(yè).開始代替金屬材料。現(xiàn)代膠印機上應(yīng)用著很多傳感器.如控制飛達紙堆的自動升降、氣泵供氣時間檢測、合壓時問檢測、空張檢測、墨量控制等。強度及較強的韌性可用于制造刀具、包裝和食品機械的密封環(huán)、軸承等以提高其耐磨性和耐蝕性.也可用于制作輸送機械和沸騰干燥床關(guān)健部件的表面涂層。納米技術(shù)在食品機械領(lǐng)域中的應(yīng)用：納米SiC、Si，N.在較寬的波長范圍內(nèi)對紅外線有較強的吸收作用.可用作紅外吸波和透波材料，做成功能性薄膜或纖維。納米Si3N.非品塊具有從黃光到近紅外光的選擇性吸收.也可用于特殊窗口材料，以納米Si0，做成的光纖對600nm以上波長光的傳輸損耗小于10dB/km.以納米Si0，和納米Ti0，制成的微米級厚的多層干涉膜.透光性好而反射紅外線能力強.與傳統(tǒng)的鹵素?zé)粝啾取＜{米加工技術(shù)在機械制造領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀[4]基于AFM針尖電場誘導(dǎo)局域氧化制備納米結(jié)構(gòu)的工作，以其易操作結(jié)構(gòu)可控，氧化物本身優(yōu)良的絕緣特性、抗刻蝕性能及與現(xiàn)有的微電子工業(yè)工藝相容性等優(yōu)點受眾多研究小組重視。利用導(dǎo)電AFM對樣品加電壓，在樣品表面形成局域大電流密度對材料表面進行局域改性。此方法對表面形貌無影響，因而從形貌上看不出變化，但通過電流相可以看出變化。這種局域改性特點有利于進行信息寫人和讀出。特別是通過選擇材料改進納米點的寫人或擦除，在應(yīng)用領(lǐng)域有很廣闊前景。利用AFM針尖直接在樣品表面刻劃形成納米圖案和撥動顆粒至指定的地方均屬于納米刻蝕加工技術(shù)。此方法需要選用一種特殊針尖，這種針尖尖端是金剛石顆粒，懸臂梁是具有高彈性模量的材料，通常達到20N/m。具體步驟是，首先用這種針尖掃描樣品的表面，得到樣品表面刻劃前的形貌，然后調(diào)節(jié)針尖在表面施加應(yīng)力（可達到10N），此時關(guān)掉反饋控制系統(tǒng)，通過控制x軸、Y軸的偏置讓針尖在表面劃過，材料表面將被劃開一條裂紋（約在幾十納米范圍），大小與針尖曲率半徑有關(guān)。利用AFM針尖與樣品表面原子相互作用，可以實現(xiàn)直接操縱單原子，從而使制造納米結(jié)構(gòu)成為可能。二十世紀90年代初期，IBM科學(xué)家首次展示在低溫下用STM進行原子操縱，然后又成功地制造“分子小人”和更具有實際物理意義的人工“量子?xùn)艡凇薄＝陙?，科學(xué)家更關(guān)心的是在室溫下操縱更復(fù)雜的圖案，了解和控制分子與分子之間，分子與襯底之間相互作用，同時，分子擴散勢壘要小于內(nèi)部各種化學(xué)鍵的強度。納米技術(shù)及其在包裝和食品機械上的應(yīng)用[5]納米生物學(xué)的出現(xiàn)為食品工程的發(fā)展提供了一個嶄新的平臺。納米技術(shù)使基因工程變得更加可控，人們可根據(jù)自己的需要，制造多種多樣、便于人體吸收的納米生物“產(chǎn)品”農(nóng)、林、牧、副、漁業(yè)也可能因此發(fā)生深刻變革，人類的食品結(jié)構(gòu)也將隨之發(fā)生變化，用納米生物工程、化學(xué)工程合成的“食品”將極大豐富食品的數(shù)量和種類，與之相適應(yīng)的包裝與食品機械也將應(yīng)運而生。由于納米陶瓷具有良好的耐磨性、較高的強度及較強的韌性可用于制造刀具，包裝和食品機械的密封環(huán)、軸承等以提高其耐磨性和耐蝕性。也可用于制作輸送機械和沸騰干燥床關(guān)鍵部件的表面涂層⑹。納米SiC、Si3N4在較寬的波長范圍內(nèi)對紅外線有較強的吸收，可用作紅外吸波和透波材料，做成功能性薄膜或纖維，納米Si3N4非晶塊具有從黃光到近紅外光的選擇性吸收，也可用于特殊窗口材料，以納米SiO2做成的光纖對600nm納米以上波長光的傳輸損耗小于10dB/km，以納米SiO2和納米TiO2制成的微米級厚的多層干涉膜，透光性好而反射紅外線能力強，與傳統(tǒng)的鹵素?zé)粝啾?，可?jié)省15%的電能［7］。這些特性可用在食品機械的紅外干燥和紅外殺菌設(shè)備上。橡膠和塑料是包裝和食品機械應(yīng)用較多原材料。但通常的橡膠是靠加入炭黑來提高其強度、耐磨性和抗老化性，制品為黑色不適宜用在食品機械上。納米材料的問世使這一問題迎刃而解。新的納米改性橡膠各項指標均有大幅度提高，尤其抗老化性能提高3倍，使用壽命長達30年以上，且色彩艷麗，保色效果優(yōu)異。普通塑料產(chǎn)量大、應(yīng)用廣、價格低，但性能遜于工程塑料，而工程塑料雖性能優(yōu)越，但價格高，限制了其在包裝和食品機械上的大范圍應(yīng)用。用納米材料對普通塑料聚丙烯進行改性，達到工程塑料尼龍一+的性能指標，且工藝性能好、成本低可大量采用。納米技術(shù)在微型機械中的應(yīng)用［8］微型機械，作為跨世紀的新型機械已經(jīng)引起了世界各國的廣泛重視。納米技術(shù)的興起和迅速發(fā)展，使微型機械的研制與應(yīng)用成為可能。納米技術(shù)與微型機械被稱作是〃!世紀的核心技術(shù)?，F(xiàn)如今美國、日本、德國、法國、瑞典、荷蘭和瑞士等國家都在積極開展這方面的研究與開發(fā)，我國對納米技術(shù)與微型機械的研制也極為重視，并取得了一定的成果。相對于傳統(tǒng)機械而言、微型機械具有體積和質(zhì)量小、能耗低、集成度和智能化程度高等特點。應(yīng)當強調(diào)的是，微型機械并不是傳統(tǒng)機械的簡單微型化，它遠遠超出了傳統(tǒng)機械的概念和范疇，而是基于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，并作為整個納米技術(shù)的重要組成部分，在一種嶄新的思維方法指導(dǎo)下的產(chǎn)物。微型機械在尺度、結(jié)構(gòu)、材料、制造方法和工作原理等方面，都與傳統(tǒng)機械截然不同，因而微型機械學(xué)的學(xué)科基礎(chǔ)、研究內(nèi)容和研究手段等，也與傳統(tǒng)機械學(xué)不同，而具有獨特的學(xué)科系統(tǒng)，構(gòu)成一門嶄新的學(xué)科。開發(fā)機械制造的新領(lǐng)域——納米加工技術(shù)梗概［9］納米材料是晶粒細到只有幾納米的新材料，納米材料的微粒一般為球形，有時用液相法制造的會成針形(如圖l所示)，其性能和常用材料性能上存在很大差異。當前，納米級微粉的制造方法有：液相法：該方法是依靠在溶液內(nèi)起化學(xué)反應(yīng)生成微粉，然后采用沉淀法或溶膠一凝膠法將微粉分離。氣相法：①蒸發(fā)凝固法：將原料在惰性氣體中高溫加熱使其蒸發(fā)，再在惰性氣體介質(zhì)中冷卻成煙霧狀超微顆粒，使其附著在容器的內(nèi)壁上。②氣相反應(yīng)法：用氣體原料或?qū)⒃险舭l(fā)成氣體，通過化學(xué)反應(yīng)生成超微顆粒的納米材料。③不完全燃燒法：這是一種制造納米級碳黑微粉的方法(中國的墨便是采用此法)。④爆炸法：在密封的容器內(nèi)，用爆炸法生產(chǎn)出納米級的金剛石微粉。影響未來機械工業(yè)的納米技術(shù)［10］納米技術(shù)很重要的一個方面就是納米材料.納米材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子組成.這些微小的結(jié)構(gòu)微粒對光、機械性能和電的反應(yīng)完全不同于微米或毫米級的結(jié)構(gòu)顆粒.從而顯示出許多奇妙的特征，也就是說，只要我們控制結(jié)構(gòu)納米顆粒的大小，就能制造出強度、剛度、硬度、耐高溫，耐腐蝕，耐磨性和可塑性都能滿足各種用戶要求的材料。納米材料在未來材料的技術(shù)革命中將發(fā)揮越來越重要的作用.采用納米材料技術(shù)對機械關(guān)鍵零部件(如軸承、齒輪、彈簧等)進行金屬表面納米粉涂層處理，可以提高機械設(shè)備的耐磨性、硬度和使用壽命.目前美國納米軸承、納米彈簧技術(shù)已獲得重大突破.納米陶瓷材料在機械工業(yè)中也具有廣泛的應(yīng)用前景.陶瓷材料在通常情況下具有堅硬、易碎的特點，但由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性，有的可大幅度彎曲而不斷裂，表現(xiàn)出金屬般的柔韌性和可加工性.如用超微顆粒制成的精細陶瓷可用于制造耐高溫、耐腐蝕的軸承及滾珠等。納米技術(shù)與微型機械[11]微型機械，是一種以毫米為度量單位，必須借助于專用裝置和儀器來觀察其工作狀況。而且也是一種體積很小、重量很輕的機電一體化產(chǎn)品。微型機械的研制始于7o年代，到80年代中期人們才制成尺寸不到^山；的齒輪和靜電執(zhí)行器。1975~1985年是微型機械的醞釀期，這一階段主要是用制作大規(guī)模集成電路的Ic技術(shù)髑作散型傳感器｝1986?1989年是微型機械的產(chǎn)生期I主要是用Ic技術(shù)制作微型機械的零部件I90年代以后是其發(fā)展期，這一階段各種超馓加工技術(shù)相繼用于微型機械的制作。微型機械的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣琵。如在醫(yī)療領(lǐng)域，一臺裝有電子發(fā)射器、自動記錄儀甚至電腦及其它工具的微型機械可以進入人體腸胃系統(tǒng)I在宇航領(lǐng)域，帶攝像裝置的微型機器人可進入航天飛機和納米衛(wèi)星內(nèi)部自動搜尋故障I微型機械在生物領(lǐng)域還可以實現(xiàn)細胞的分離與接合等。參考文獻：《航空精密制造技術(shù)》2009年2月第45卷第5期《微電機》唐蘇亞，2002，35(3)《科技創(chuàng)業(yè)月刊》張云霞，2009年7期《安徽化工》郭佑彪，董雯俠，李滿華，丁為甫，劉國平，總第135期2005年第3期《包裝與食品機械》宋人楷，姜大偉，李延輝，2002，20(4)SigelR