超精密加工与纳米

1、背景20世纪60年代为了适应核能、大规模集成电路、激光和航天等尖端技术的需要而发展起来的精度极高的加工技术。超精密加工的精度比传统的精密加工提高了一个以上的数量级。到20世纪80年代，加工尺寸精度可达10纳米(110-8米)，表面粗糙度达1纳米。超精密加工对工件材质、加工设备、工具、测量和环境等条件都有特殊的要求，需要综合应用精密机械、精密测量、精密伺服系统、计算机控制以及其他先进技术。工件材质必须极为细致均匀，并经适当处理以消除内部残余应力,保证高度的尺寸稳定性,防止加工后发生变形。加工设备要有极高的运动精度，导轨直线性和主轴回转精度要达到0.1微米级,微量进给和定位精度要达到0.01微米级

2、。对环境条件要求严格，须保持恒温、恒湿和空气洁净，并采取有效的防振措施。加工系统的系统误差和随机误差都应控制在 0.1微米级或更小。这些条件是靠综合应用精密机械、精密测量、精密伺服系统和计算机控制等各种先进技术获得的。 。通常，按加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。目前，精密加工是指加工精度为10.1m，表面粗糙度为Ra0.10.01m的加工技术，但这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。发展历史u20世纪50年代至80年代为技术开创期。 20世纪50年代末，出于航天、国防等尖端技术发展的需要，美国率先发展了超精密加工技术，

3、开发了金刚石刀具超精密切削单点金刚石切削技术，又称为“微英寸技术”，用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面、非球面大型零件等。从1966年起，美国的unionCarbide公司、荷兰Philips公司和美国LawrenceLivemoreLaboratories陆续推出各自的超精密金刚石车床，但其应用限于少数大公司与研究单位的试验研究，并以国防用途或科学研究用途的产品加工为主。这一时期，金刚石车床主要用于铜、铝等软金属的加工，也可以加工形状较复杂的工件，但只限于轴对称形状的工件例如非球面镜等。u20世纪80年代至90年代为民间工业应用初期。u在20世纪80年代，美国政府推动数家民间

4、公司Moore Special Tool和Pneumo Precision公司开始超精密加工设备的商品化，而日本数家公司如Toshiba和Hitachi与欧洲的Cmfield大学等也陆续推出产品，这些设备开始面向一般民间工业光学组件商品的制造。但此时的超精密加工设备依然高贵而稀少，主要以专用机的形式订作。在这一时期，除了加工软质金属的金刚石车床外，可加工硬质金属和硬脆性材料的超精密金刚石磨削也被开发出来。该技术特点是使用高刚性机构，以极小切深对脆性材料进行延性研磨，可使硬质金属和脆性材料获得纳米级表面粗糙度。当然，其加工效率和机构的复杂性无法和金刚石车床相比。20世纪80年代后期，美国通过能源

5、部“激光核聚变项目”和陆、海、空三军“先进制造技术开发计划”对超精密金刚石切削机床的开发研究，投入了巨额资金和大量人力，实现了大型零件的微英寸超精密加工。美国LLNL国家实验室研制出的大型光学金刚石车床成为超精密加工史上的经典之作。这是一台最大加工直径为1625m的立式车床，定位精度可达28nm，借助在线误差补偿能力，可实现长度超过1m、而直线度误差只有士25nm的加工。u20世纪90年代至今为民间工业应用成熟期。 从1990年起，由于汽车、能源、医疗器材、信息、光电和通信等产业的蓬勃发展，超精密加工机的需求急剧增加，在工业界的应用包括非球面光学镜片、Fresnel镜片、超精密模具、磁盘驱动器

6、磁头、磁盘基板加工、半导体晶片切割等。在这一时期，超精密加工设备的相关技术，例如控制器、激光干涉仪、空气轴承精密主轴、空气轴承导轨、油压轴承导轨、摩擦驱动进给轴也逐渐成熟，超精密加工设备变为工业界常见的生产机器设备，许多公司，甚至是小公司也纷纷推出量产型设备。此外，设备精度也逐渐接近纳米级水平，加工行程变得更大，加工应用也逐渐增广，除了金刚石车床和超精密研磨外，超精密五轴铣削和飞切技术也被开发出来，并且可以加工非轴对称非球面的光学镜片。发展趋势l精密化 l智能化 l自动化 l高效化 l信息化 l柔性化 l集成化 超精密加工关键技术超精密加工关键技术超精密机床技术超精密机床技术对超精密机床的要求

7、：对超精密机床的要求：高精度：几何精度、定位精度和重复定位精度、分辨高精度：几何精度、定位精度和重复定位精度、分辨率。率。高刚度：静刚度、动刚度、接触刚度、工艺系统刚度高刚度：静刚度、动刚度、接触刚度、工艺系统刚度高稳定性：长时间保持精度，抗干扰，工作稳定。耐高稳定性：长时间保持精度，抗干扰，工作稳定。耐磨性、抗振性、无热变形磨性、抗振性、无热变形高自动化：高自动化：纳米级精度的加工和纳米级表层的加工，即原子和分子的去除、搬迁和重组是纳米技术主要内容之一。纳米加工技术担负着支持最新科学技术步的重要使命。国防战略发展的需要和纳米级精度产品高利润市场的吸引，促使了纳米加工技术产生并迅速发展。例如，

8、现代武器惯导仪表的精密陀螺、激光核聚变反射镜、大型天体望远镜反射镜和多面棱镜、大规模集成电路硅片、计算机磁盘及复印机磁鼓等都需要进行纳米级加工。纳米加工技术的发展也促进了机械、电子、半导体、光学、传感器和测量技术以及材料科学的发展。纳米加工技术是一门新兴的综合性加工技术。它集成了现代机械学、光学、电子、计算机、测量及材料等先进技术成就，使得加工的精度从20世纪60年代初的微米级提高到目前的10nm级，在短短几十年内使产品的加工精度提高了12个数量级，极大的改善了产品的性能和可靠性。目前，纳米加工技术已成为国家科学技术发展水平的重要标志。随着各种新型功能陶瓷材料的不断研制成功，以及用这些材料作为

9、关键元件的各类装置的高性能化，要求功能陶瓷元件的加工精度达到纳米级甚至更高，这些都有力地促进了纳米加工技术的进步。近年来，纳米技术的出现促使纳米加工向其极限加工精度原子级加工进行挑战。什么是纳米加工？纳米级精度的加工和纳米级表层的加工，即原子和分子的去除、搬迁和重组。是纳米技术主要内容之一。精度为3O3 m，粗糙度为O3O03m的叫精密加工； 精度为03003 m，粗糙度为0030005 m的叫超精密加工，或亚微米加工； 精度为003 m（30纳米），粗糙度优于0005 m以上的则称为纳米（nm）加工。纳米加工的实质就是要切断原子间的结合，实现原子或分子的去除，切断原子间结合所需要的能量，必然

10、要求超过该物质的原子间结合能。 纳米加工技术简介包括切削加工（精密切削等）、化学腐蚀（电化学等）、复合加工、扫描隧道显微技术加工等多种方法纳米加工分类纳米技术包含下列四个主要方面： 1、纳米材料 ；、纳米动力学； 3、纳米生物学和纳米药物学 ；4、纳米电子学。纳米加工技术的内容纳米加工技术的应用几种新兴的纳米加工技术1利用扫描隧道显微镜和原子力显微镜的纳米加工技术2化学合成方法 化学合成方法是制备纳米尺度电子学器件的另一种途径用化学过程“自下而上”地把微观体系的物质单元组装成纳米器件。由于用纳米探针进行机械合成很难同时组装数目巨大的纳米结构和器件，所以研究化学合成方法非常重要。3聚焦离子束技术 聚焦离子束(FIB)技术是在电场和磁场的作用下，将离子束聚焦到亚微米甚至纳米量级，通过偏转系统及加速系统控制离子束，实现微细图形的检测分析和纳米结构的无掩模加工。4准分子激光直写纳米加工技术 准分子激光(excimer laser)以其高分辨率、光子能量大、冷加工、“直写”特点、无环境污染以及对加工材料广泛的适应性，使其成为