納米技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀

1、納米技術(shù)及其開展現(xiàn)狀隨著生物、環(huán)境控制、醫(yī)學(xué)、航空、航天、準確制導(dǎo)彈藥、靈巧武 器、先進情報傳感器以及數(shù)據(jù)通訊等的不斷開展，在構(gòu)造裝置微小型 化方面不斷提出更新、更高的要求。目前，納米技術(shù)開展十分迅猛， 它使人類在改造自然方面進入一個新的層次。它將開發(fā)物質(zhì)潛在的信 息和構(gòu)造能力，使單位體積物質(zhì)存儲和處理信息的能力實現(xiàn)質(zhì)的飛 躍，從而給國民經(jīng)濟和軍事能力帶來深遠的影響。納米技術(shù)是指納米級(10納米)的材料、設(shè)計、制造、測量和控 制技術(shù)。隨著納米技術(shù)的開展。開創(chuàng)了納米電子學(xué)、納米材料學(xué)、納 米生物學(xué)、納米機械學(xué)、納米制造學(xué)、納米顯微學(xué)及納米測量等等新 的高技術(shù)群。納米技術(shù)是面向21世紀的一項重要技

2、術(shù)，有著廣闊的 軍民兩用前景。美國、日本及西歐等國家均投入了大量的人力、物力 進展開發(fā)，并己在航空、航天、醫(yī)療及民用產(chǎn)品等方面得到了一定應(yīng) 用。微型機電系統(tǒng)(microelectronmechanical systems, MEMS)10年前，人們意識到用半導(dǎo)體批量制造技術(shù)可以生產(chǎn)許多宏觀機械 系統(tǒng)的微米尺度的樣機后，就在小型機械制造領(lǐng)域開場了新的研究, 這導(dǎo)致了微型機電系統(tǒng)(MEMS)的出現(xiàn)，如微米尺度的各類傳感器以 及各種閥門等。MEMS主要的民用領(lǐng)域是：醫(yī)學(xué)、電于工業(yè)和航空、航天。如用靜電 驅(qū)動的微型電機控制計算機及通訊系統(tǒng)。在環(huán)境、醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，微型 傳感器可以測量各種化學(xué)物質(zhì)的流量、壓

3、力和濃度。在軍事主要有以 下：有害化學(xué)戰(zhàn)劑報警傳感器、敵我識別、靈巧蒙皮、分布式戰(zhàn)場傳 感器網(wǎng)絡(luò)、微機器人電子失能系統(tǒng)、昆蟲平臺等應(yīng)用。專用集成微型儀器(application specific integratedmicro-instrument, ASIM)微型工程包括具有毫米、微米、納米尺度構(gòu)造的傳感器和動作器 的設(shè)計、材料合成、微型機械加工、裝配、總成和封裝問題。利用這 項技術(shù)可以把傳感器、動作器和數(shù)據(jù)處理采集裝置集成在一塊普通的 基片上。微型機電系統(tǒng)與微電子技術(shù)的綜合集成，導(dǎo)致了專用集成微 型儀器(ASIM )的出現(xiàn)。具有亞微米特點的ASIM會使亞毫米器件降低研制與試驗費用、 縮小體

4、積、減輕重量，同時還可以降低對電源和溫控的要求，降低對 振動的靈敏性和通過冗余提高可靠性。ASIM將在航天器和航天.系統(tǒng) 技術(shù)方面引起一場革命，出現(xiàn)超小型衛(wèi)星系統(tǒng)，最終實現(xiàn)納米衛(wèi) 星。3材料工程及功能織物在材料工程方面，已經(jīng)能夠做到設(shè)計與控制一種材料的微觀構(gòu) 造，從而獲得所要求的宏觀性能。因此，對于材料的分子、原子構(gòu)造以及在分子尺度上的物理化學(xué)性能的測試，以成為當(dāng)今材料工程中不 可缺少的技術(shù)。利用納米粒子的催化特性、極大的化學(xué)活性、極大的外表積、優(yōu) 異的電磁特性、光學(xué)特性等可以制造具有奇異功能的產(chǎn)品，如抗紫外 線、抗可見光、抗紅外線、抗電磁等的功能織物。此外，納米技術(shù)在微電子工程、生物遺傳工程

5、、微機械光學(xué)等方 面也具有廣泛的應(yīng)用前景。納米加工技術(shù)正如制造技術(shù)在當(dāng)今各領(lǐng)域所起的重要作用一樣，納米加工技術(shù) 在納米技術(shù)的各領(lǐng)域中也起著關(guān)鍵作用。納米加工技術(shù)包含機械加 工、化學(xué)腐蝕、能量束加工以及STM加工等許多方法。關(guān)于納米加 工技術(shù)目前還沒有一個統(tǒng)一的定義，尺寸為納米級（ 10納米）的材料 的加工和使用稱為納米加工。加工外表粗糙度為納米級的也稱為納米 加匚 筆者認為所謂納米加工技術(shù)是指零件加工的尺寸精度、形狀精 度以及外表粗糙度均為納米級（ 10納米）。通過以下加工技術(shù)可以實 現(xiàn)納米級加工。1超精細機械加工技術(shù)超精細機械加工方法有單點金剛石和CBN超精細切削、金剛石 和CBN超精細磨削

6、等多點磨料加工，以及研磨、拋光、彈性發(fā)射加 工等自由磨料加工或機械化學(xué)復(fù)合加工等。目前利用單點金剛石超精細切削加工已在實驗室得到了 3納米 的切屑，利用可延性磨削技術(shù)也實現(xiàn)了納米級磨削，而通過彈性發(fā)射 加工等工藝那么可以實現(xiàn)亞納米級的去除，得到埃級的外表粗糙度。.2能量束加工技術(shù)能量束加工可以對被加工對象進展除、添加和外表處理等工藝， 主要包括離子束加工、電子束加工和光束加工等，此外電解射流加工、 電火花加工、電化學(xué)加工、分子束外延、物理和化學(xué)氣相淀積等也屬 于能量束加工。離子束加工濺射去除、沉淀和外表處理，離子束輔助蝕刻亦是用 于納米級加工的研究開發(fā)方向。與固體工具切削加工相比，離子束加 工

7、的位置和加工速率難以確定，為取得納米級的加工精度，需要亞納 米級檢測系統(tǒng)與加工位置的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。電子束加工是以熱能的形 式去除穿透層外表的原子，可以進展刻蝕、光刻曝光、焊接、微米和 納米級鉆削和銑削加工等。LIGA 技術(shù)(Lithographie, Galvanoformung, Abformung)LIGAZ藝是由深層同步輻射X射線光刻、電鑄成型、塑鑄成型等技 術(shù)組合而成的綜合性技術(shù)，其最根本和最核心的工藝是深度同步輻射 光刻，而電鑄和塑鑄工藝是LIGA產(chǎn)品實用化的關(guān)按。與傳統(tǒng)的半導(dǎo) 體工藝相比，LIGA技術(shù)具有許多獨特的優(yōu)點，主要有：用材廣泛，可以是金屬及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等。可

8、以制作高度達數(shù)百微米至一千微米，高度比大于200的三維立 體微構(gòu)造。橫向尺寸可以小到O.5pm，加工精度可達0.1pm (4)可實現(xiàn)大批量復(fù)制、生產(chǎn)，本錢低。用LIGA技術(shù)可以制作各種微器件、微裝置，己研制成功或正在 研制的LIGA產(chǎn)品有微傳感器、微電機、微機械零件、集成光學(xué)和微 光學(xué)元件、微波元件、真空電子元件、微型醫(yī)療器械、納米技術(shù)元件 及系統(tǒng)等。LIGA產(chǎn)品的應(yīng)用涉及面廣泛，如加工技術(shù)、測量技術(shù)、 自動化技術(shù)、汽車及交通技術(shù)、電力及能源技術(shù)、航空及航天技術(shù)、 紡織技術(shù)、精細工程及光學(xué)、微電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)和化學(xué) 工程等。4掃描隧道顯微鏡(STM)技C.binning和H.Robr

9、er創(chuàng)造的掃描隧道顯微鏡不但使人們可以以單個原子的分辨率觀測物體的外表構(gòu)造，而且也為以單個原子為單位的納米級加工提供了理想途徑。應(yīng)用掃描隧道顯微鏡技術(shù)可以進展原于級 操作、裝配和改型。S T M將非常鋒利的金屬針接近試件外表至1nm 左右，施加電壓時隧道電流產(chǎn)生，隧道電流每隔0.1nm變化一個數(shù) 量級。保持電流一定掃描試件外表，即可分辨出外表構(gòu)造。一般隧道 電流通過探針尖端的一個原子，因而其橫向分辨率為原于級。掃描隧道顯微加工技術(shù)不僅可以進展單個原于的去除、添加和移 動，而且可以進展STM光刻、探針尖電子束感應(yīng)的沉淀和腐蝕等新 的S T M加工技術(shù)。采用微加工技術(shù)制造納米機械微細加工。日本發(fā)那

10、科公司開發(fā)的能進展車、銑、磨和電火花加工的多功能微型精細加工車床FANUCROBO nano Ui型，可 實現(xiàn)5軸控制，數(shù)控系統(tǒng)最小設(shè)定單位是1nm10-3pm。該機床 設(shè)有編碼器半閉環(huán)控制，還有激光全息式直線移動的全閉環(huán)控制。編 碼器與電機直聯(lián)，具有每周6 400萬個脈沖的分辨率，每個脈沖相當(dāng) 于坐標(biāo)軸移動0 . 2 nm,編碼器反應(yīng)單位為1/3 nm,故跟蹤誤差在 1/3 nm以內(nèi)。直線分辨率為1 nm,跟蹤誤差在3 nm以內(nèi)。C裝置采用FANUC-16i,實現(xiàn)Alnano輪廓控制。并用FANUCSERVOMOTORai伺服電機裝上高分辨率檢測裝置及ai系列伺 服放大器，實現(xiàn)了微細加工。2

11、微型機器人。在工業(yè)制造領(lǐng)域，微型機器人可以適應(yīng)精細 微細操作，尤其在電子元器件的制造方面。美國邁特公司的研究人員 最近設(shè)計出一種用于組裝納米制造系統(tǒng)的微型機器人，這種機器人的 長度約為5mm。研究人員稱，假設(shè)能利用納米制造技術(shù)使這種機器 人的體積不斷縮小，其最終的體積不會超過灰塵的微粒。日本三菱公 司也開發(fā)了一種微型工業(yè)機器人，該機器人采用了5節(jié)閉式連桿機 構(gòu)，以實現(xiàn)手臂的輕量化與高剛性，其動作速度及精度完全可以趕上 專用機器人。往復(fù)上下方向25 mm，水平方向100 mm的拾取動作, 所需時間縮短到0.28s。另外，通過采用閉式連桿機構(gòu)與高剛性減 速機，實現(xiàn)了比以往機器人高10%的位置重復(fù)精

12、度5 nm，可適 用于精細微細操作。我國在微型機器人的研制方面也取得了可喜的成 績。據(jù)媒體報道，由XX工業(yè)大學(xué)研制的機器人，其操作精度到達了 納米級，可以應(yīng)用于分子生物學(xué)基因操作，能夠?qū)毎腿旧w進展 手術(shù)，并能在微電子、精細加工等精度要求較高的領(lǐng)域一顯身手。3微型電機。美國俄亥俄州克利夫西卡塞大學(xué)已建立了一所 納米級微型電機實驗室，專門研究納米技術(shù)及其超微機電系統(tǒng)。美國 加利福尼亞大學(xué)伯克利分校研制的微型電動機，小到只能在顯微鏡下 才能看得見。德國汽車零件制造商博士公司正在研制納米技術(shù)傳感 器，這種傳感器將為人們提供關(guān)于汽車上每個零部件在三維空間中運 動的準確信息。當(dāng)微型傳感器探測到速度驟

13、減時，就會自動釋放平安 氣囊。2采用自組裝技術(shù)制造納米機械納米技術(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 進展金屬外表納米粉涂層處理，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)，開場代替金屬 材料?，F(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、合壓時間檢測、空X檢測、墨量控制等。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枯燥床關(guān)健部件的外表涂層。3納米技術(shù)在機械行業(yè)中的開展前景1機械及汽車工業(yè)的滑配原件如：軸承、滑軌上應(yīng)用納米陶 瓷鍍膜能產(chǎn)生超底的磨擦界面，大大減低磨損并能提高負載。2塑膠流道的低粘應(yīng)用：例如T型模、拉絲模、套筒和熱膠 道，可有效減少積料碳化的產(chǎn)生幾率。3射出成型時