纳米技术与机械

纳米材料制纳米技术与机械纳米技术与机械面向21世纪的纳米机械学s随着科学技术的发展，人们在不断追求机械装置的小型化、微型化，希望以尽可能小的能耗以及最少的物质消耗来满足生物、医学、航天航空、数字通信、传感技术、灵巧武器等领域日益增长的要求。微小型化始终是当代科技发展的方向。以制造毫米以下尺寸的机构和系统为目的的微/纳米技术，一方面利用物理、化学方法将分子和原子组装起来，形成有一定功能的微/纳米结构；另一方面利用精细加工手段加工出微/纳米结构。前者导致了纳米生物学、纳米化学等边缘科学的产生；后者在小型机械制造领域开始了一场革命，导致了微型机电系统(MicroElectro-MechanicalSystem,MEMS)的出现。MEMS与传统(宏观)机电系统相比，由于微型机械在尺度、构造、材料、制造方法以及工作原理等诸多方面与传统的机械系统全然不同，故作为微型机电系统研究与设计基础的纳米机械学(nanomechanics)在学科基础、研究内容及研究方法等各个方面也明显有别于传统机械学，是一个相对独立的新兴学科。根据微机械的特点和发展情况，现阶段纳米机械学的主要研究内容包括：1、研究机械中的运动变换和动力传递，以及机械系统在运动过程中动态特性的微机构学；2、研究适用于制造微型构件而性能独特的材料及其在环境影响下的变形响应和失效规律的微结构材料力学；3、从原子、分子尺度出发，研究相互接触运动界面上的作用、变化及损伤机理和对策的纳米摩擦学；4、研究与纳米机械原理、制造及应用相关的关键技术等；5、将纳米机械学应用于研究特定机械系统的如微机器人等。纳米技术在微机械领域中的应用[2]随着纳米技术应用途径的不断拓宽，微机械的开发在全世界方兴未艾〃例如&进入人体的医疗机械和管道自动检测装置所需的微型齿轮、电机、传感器和控制电路等。制造这些具有特定功能的纳米产品，其技术路线可分为两种：一种是通过微加工和固态技术，不断将产品微型化B二是以原子、分子为基本单元，根据人们的意愿进行设计和组装&从而构筑成具有特定功能的产品。纳米技术的制造：1、采用微加工技术制造纳米机械：微细加工，微型机器人，微型电机2、采用自组装技术制造纳米机械；生物物件，纳米分子电动机浅谈纳米技术及其在机械工业中的应用[3]纳米技术在微机械领域中的应用：随着纳米技术应用途径的不断拓宽.微机械的开发在全世界方兴未艾。例如.进入人体的医疗机械和管道自动检测装置所需的微型齿轮、电机、传感器和控制电路等。制造这些具有特定功能的纳米产品。其技术路线可分为两种：一是通过微加工和固态技术.不断将产品微型化；二是以原子、分子为基本单元，根据人们的意愿进行设计和组装.从而构筑成具有特定功能的产品。纳米技术在包装机械领域中的应用：采用纳米材科技术对包装机关键零部件（如轴承、齿轮、弹簧等）进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高设备的耐磨性、硬度和寿命。碳纳米管还具有较高的机械强度和较高的热导率。由于具有非常大的长度一直径比，可以制造出任何复杂形状的零件，是复合材料理想的增强纤维。目前，用价格低廉的纳米塑料制成的齿轮、陶瓷轴承、纳米陶瓷蚊辊、电雕辊等印刷包装机械零件已走进企业.开始代替金属材料。现代胶印机上应用着很多传感器.如控制飞达纸堆的自动升降、气泵供气时间检测、合压时问检测、空张检测、墨量控制等。强度及较强的韧性可用于制造刀具、包装和食品机械的密封环、轴承等以提高其耐磨性和耐蚀性.也可用于制作输送机械和沸腾干燥床关健部件的表面涂层。纳米技术在食品机械领域中的应用：纳米SiC、Si，N.在较宽的波长范围内对红外线有较强的吸收作用.可用作红外吸波和透波材料，做成功能性薄膜或纤维。纳米Si3N.非品块具有从黄光到近红外光的选择性吸收.也可用于特殊窗口材料，以纳米Si0，做成的光纤对600nm以上波长光的传输损耗小于10dB/km.以纳米Si0，和纳米Ti0，制成的微米级厚的多层干涉膜.透光性好而反射红外线能力强.与传统的卤素灯相比。纳米加工技术在机械制造领域的研究现状[4]基于AFM针尖电场诱导局域氧化制备纳米结构的工作，以其易操作结构可控，氧化物本身优良的绝缘特性、抗刻蚀性能及与现有的微电子工业工艺相容性等优点受众多研究小组重视。利用导电AFM对样品加电压，在样品表面形成局域大电流密度对材料表面进行局域改性。此方法对表面形貌无影响，因而从形貌上看不出变化，但通过电流相可以看出变化。这种局域改性特点有利于进行信息写人和读出。特别是通过选择材料改进纳米点的写人或擦除，在应用领域有很广阔前景。利用AFM针尖直接在样品表面刻划形成纳米图案和拨动颗粒至指定的地方均属于纳米刻蚀加工技术。此方法需要选用一种特殊针尖，这种针尖尖端是金刚石颗粒，悬臂梁是具有高弹性模量的材料，通常达到20N/m。具体步骤是，首先用这种针尖扫描样品的表面，得到样品表面刻划前的形貌，然后调节针尖在表面施加应力（可达到10N），此时关掉反馈控制系统，通过控制x轴、Y轴的偏置让针尖在表面划过，材料表面将被划开一条裂纹（约在几十纳米范围），大小与针尖曲率半径有关。利用AFM针尖与样品表面原子相互作用，可以实现直接操纵单原子，从而使制造纳米结构成为可能。二十世纪90年代初期，IBM科学家首次展示在低温下用STM进行原子操纵，然后又成功地制造“分子小人”和更具有实际物理意义的人工“量子栅栏”。近年来，科学家更关心的是在室温下操纵更复杂的图案，了解和控制分子与分子之间，分子与衬底之间相互作用，同时，分子扩散势垒要小于内部各种化学键的强度。纳米技术及其在包装和食品机械上的应用[5]纳米生物学的出现为食品工程的发展提供了一个崭新的平台。纳米技术使基因工程变得更加可控，人们可根据自己的需要，制造多种多样、便于人体吸收的纳米生物“产品”农、林、牧、副、渔业也可能因此发生深刻变革，人类的食品结构也将随之发生变化，用纳米生物工程、化学工程合成的“食品”将极大丰富食品的数量和种类，与之相适应的包装与食品机械也将应运而生。由于纳米陶瓷具有良好的耐磨性、较高的强度及较强的韧性可用于制造刀具，包装和食品机械的密封环、轴承等以提高其耐磨性和耐蚀性。也可用于制作输送机械和沸腾干燥床关键部件的表面涂层⑹。纳米SiC、Si3N4在较宽的波长范围内对红外线有较强的吸收，可用作红外吸波和透波材料，做成功能性薄膜或纤维，纳米Si3N4非晶块具有从黄光到近红外光的选择性吸收，也可用于特殊窗口材料，以纳米SiO2做成的光纤对600nm纳米以上波长光的传输损耗小于10dB/km，以纳米SiO2和纳米TiO2制成的微米级厚的多层干涉膜，透光性好而反射红外线能力强，与传统的卤素灯相比，可节省15%的电能［7］。这些特性可用在食品机械的红外干燥和红外杀菌设备上。橡胶和塑料是包装和食品机械应用较多原材料。但通常的橡胶是靠加入炭黑来提高其强度、耐磨性和抗老化性，制品为黑色不适宜用在食品机械上。纳米材料的问世使这一问题迎刃而解。新的纳米改性橡胶各项指标均有大幅度提高，尤其抗老化性能提高3倍，使用寿命长达30年以上，且色彩艳丽，保色效果优异。普通塑料产量大、应用广、价格低，但性能逊于工程塑料，而工程塑料虽性能优越，但价格高，限制了其在包装和食品机械上的大范围应用。用纳米材料对普通塑料聚丙烯进行改性，达到工程塑料尼龙一+的性能指标，且工艺性能好、成本低可大量采用。纳米技术在微型机械中的应用［8］微型机械，作为跨世纪的新型机械已经引起了世界各国的广泛重视。纳米技术的兴起和迅速发展，使微型机械的研制与应用成为可能。纳米技术与微型机械被称作是〃!世纪的核心技术。现如今美国、日本、德国、法国、瑞典、荷兰和瑞士等国家都在积极开展这方面的研究与开发，我国对纳米技术与微型机械的研制也极为重视，并取得了一定的成果。相对于传统机械而言、微型机械具有体积和质量小、能耗低、集成度和智能化程度高等特点。应当强调的是，微型机械并不是传统机械的简单微型化，它远远超出了传统机械的概念和范畴，而是基于现代科学技术，并作为整个纳米技术的重要组成部分，在一种崭新的思维方法指导下的产物。微型机械在尺度、结构、材料、制造方法和工作原理等方面，都与传统机械截然不同，因而微型机械学的学科基础、研究内容和研究手段等，也与传统机械学不同，而具有独特的学科系统，构成一门崭新的学科。开发机械制造的新领域——纳米加工技术梗概［9］纳米材料是晶粒细到只有几纳米的新材料，纳米材料的微粒一般为球形，有时用液相法制造的会成针形(如图l所示)，其性能和常用材料性能上存在很大差异。当前，纳米级微粉的制造方法有：液相法：该方法是依靠在溶液内起化学反应生成微粉，然后采用沉淀法或溶胶一凝胶法将微粉分离。气相法：①蒸发凝固法：将原料在惰性气体中高温加热使其蒸发，再在惰性气体介质中冷却成烟雾状超微颗粒，使其附着在容器的内壁上。②气相反应法：用气体原料或将原料蒸发成气体，通过化学反应生成超微颗粒的纳米材料。③不完全燃烧法：这是一种制造纳米级碳黑微粉的方法(中国的墨便是采用此法)。④爆炸法：在密封的容器内，用爆炸法生产出纳米级的金刚石微粉。影响未来机械工业的纳米技术［10］纳米技术很重要的一个方面就是纳米材料.纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成.这些微小的结构微粒对光、机械性能和电的反应完全不同于微米或毫米级的结构颗粒.从而显示出许多奇妙的特征，也就是说，只要我们控制结构纳米颗粒的大小，就能制造出强度、刚度、硬度、耐高温，耐腐蚀，耐磨性和可塑性都能满足各种用户要求的材料。纳米材料在未来材料的技术革命中将发挥越来越重要的作用.采用纳米材料技术对机械关键零部件(如轴承、齿轮、弹簧等)进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命.目前美国纳米轴承、纳米弹簧技术已获得重大突破.纳米陶瓷材料在机械工业中也具有广泛的应用前景.陶瓷材料在通常情况下具有坚硬、易碎的特点，但由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性，有的可大幅度弯曲而不断裂，表现出金属般的柔韧性和可加工性.如用超微颗粒制成的精细陶瓷可用于制造耐高温、耐腐蚀的轴承及滚珠等。纳米技术与微型机械[11]微型机械，是一种以毫米为度量单位，必须借助于专用装置和仪器来观察其工作状况。而且也是一种体积很小、重量很轻的机电一体化产品。微型机械的研制始于7o年代，到80年代中期人们才制成尺寸不到^山；的齿轮和静电执行器。1975~1985年是微型机械的酝酿期，这一阶段主要是用制作大规模集成电路的Ic技术髑作散型传感器｝1986〜1989年是微型机械的产生期I主要是用Ic技术制作微型机械的零部件I90年代以后是其发展期，这一阶段各种超馓加工技术相继用于微型机械的制作。微型机械的应用领域十分广琵。如在医疗领域，一台装有电子发射器、自动记录仪甚至电脑及其它工具的微型机械可以进入人体肠胃系统I在宇航领域，带摄像装置的微型机器人可进入航天飞机和纳米卫星内部自动搜寻故障I微型机械在生物领域还可以实现细胞的分离与接合等。参考文献：《航空精密制造技术》2009年2月第45卷第5期《微电机》唐苏亚，2002，35(3)《科技创业月刊》张云霞，2009年7期《安徽化工》郭佑彪，董雯侠，李满华，丁为甫，刘国平，总第135期2005年第3期《包装与食品机械》宋人楷，姜大伟，李延辉，2002，20(4)SigelR