微米/納米技術(shù)在機(jī)械加工中的應(yīng)用
時(shí)間:2018-02-27科學(xué)技術(shù)向微小領(lǐng)域發(fā)展,由毫米級(jí)、微米級(jí)繼而涉足納米級(jí),人們把這個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)稱之為微米/納米技術(shù)(Micro&Nano-Technlogy)。
當(dāng)前,微米/納米技術(shù)在國(guó)際上已使人類在改造自然方面進(jìn)人一個(gè)新的層次,即以微米層次深人到原子、分子級(jí)的納米層次,它作為21世紀(jì)出現(xiàn)的高技術(shù),發(fā)展十分迅猛,并由此開(kāi)創(chuàng)了納米電子、納米材料、納米生物、納米機(jī)械、納米制造、納米測(cè)量等新的高技術(shù)群。
一、微米技術(shù)
1.微小尺度的設(shè)計(jì)理論研究
微型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并非簡(jiǎn)單的機(jī)械微小化,而需要從物理及物質(zhì)相互作用等方面進(jìn)行重新研究,形成一整套的設(shè)計(jì)理論與方法。其研究重點(diǎn)應(yīng)包括微動(dòng)力學(xué)、微流體力學(xué)、微熱力學(xué)、微機(jī)械學(xué)、微光滸學(xué)等,并且注重現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法如CA0技術(shù)、仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等在微型系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,通過(guò)上述研究,解決微型系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的尺寸效應(yīng)`表面效應(yīng)、誤差效應(yīng)及材料性能等的影響。
2.微細(xì)加工技術(shù)
微細(xì)加工技術(shù)包含超精機(jī)械加工、IC工藝、化學(xué)腐蝕、能量束加工等諸多方法。對(duì)于簡(jiǎn)單的面、線輪廓的加工,可以采用單點(diǎn)金剛石和CBN(立方氮化硼)刀具切削、磨削、拋光等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn),如激光陀螺的平面反射鏡和平面度誤差要求小于30nm,表面粗糙度Ra值小于1hm等。而對(duì)于稍微復(fù)雜一點(diǎn)的結(jié)構(gòu),用機(jī)械加工的方法是不可能的,特別是制造復(fù)合結(jié)構(gòu),當(dāng)今較為成熟的技術(shù)仍是IC工藝硅加工技術(shù),如美國(guó)研制出直徑僅為60~120um的硅微型靜電電動(dòng)機(jī)等。
3.精密測(cè)試技術(shù)
具有微米及亞微米測(cè)量精度的幾何量與表面形貌測(cè)量技術(shù)亦已成熟,如具有0.01um精度的HP5528雙頻激光干涉測(cè)量系統(tǒng),具有0.01um精度的光學(xué)與觸針式輪廓掃描系統(tǒng)等。因此,目前精密測(cè)試技術(shù)的一個(gè)重要研究對(duì)象是微結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,
4.微系統(tǒng)技術(shù)
在研究微系統(tǒng)設(shè)計(jì)、加工、測(cè)量的基礎(chǔ)上,國(guó)內(nèi)外較廣泛地開(kāi)展了微型傳感、微執(zhí)行機(jī)構(gòu)、微電子信號(hào)處理等方面的研究工作,如已制作出微型力傳感器、微型泵、微電機(jī)等。
二、納米技術(shù)
納米技術(shù)通常指納米級(jí)0.1~100nm的材料、測(cè)量、控制和產(chǎn)品的技術(shù)。
納米技術(shù)是科技發(fā)展的一個(gè)新興領(lǐng)域,它不僅僅是將加工和測(cè)量精度從微米級(jí)提高到納米級(jí)的問(wèn)題,而是人類對(duì)自然的認(rèn)識(shí)和改造方面,從宏觀領(lǐng)域進(jìn)人到物理的微觀領(lǐng)域,深人了一個(gè)新的層次,即從微米層深人到分子、原子級(jí)的納米層次。
1.納米電子技術(shù)
在過(guò)去的們年里,晶體管的特征尺寸由10mm減小到小于1um,現(xiàn)在可實(shí)現(xiàn)在一個(gè)集成片上包含100萬(wàn)個(gè)單元,對(duì)于這種尺度的電子線路,宏觀規(guī)律仍舊有效,然而未來(lái)一二十年的科技發(fā)展使尺寸進(jìn)一步縮小10~100倍進(jìn)人到納米尺度,量子力學(xué)及電子的波動(dòng)性就不能不再考慮了。
?、布{米機(jī)械技術(shù)
納米機(jī)械技術(shù)包括的領(lǐng)域很廣,其研究基礎(chǔ)包括納米加工過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模擬、納米構(gòu)件與表面分子工程、納米摩擦學(xué)等,這里所指的納米機(jī)械是能實(shí)現(xiàn)納米尺寸上某種功能的機(jī)械,如納米制造設(shè)備及納米執(zhí)行器,納米執(zhí)行器能實(shí)現(xiàn)納米尺度的移動(dòng)與定位。
3.納米材料技術(shù)
納米材料技術(shù)是發(fā)展最早且研究最深人的學(xué)科。納米材料由于其結(jié)構(gòu)的特殊性,如大的表面比、小尺寸效應(yīng)、界面效應(yīng)、量子效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)等一系列新的效應(yīng),使納米材料出現(xiàn)許多不同于傳統(tǒng)材料的獨(dú)特性能,從而使其在未來(lái)新材料上充當(dāng)角色,如隱身材料,高靈敏度、高響應(yīng)的傳感材料,多功能復(fù)相陶瓷材料等。
4.納米加工技術(shù)
納米加工技術(shù)的發(fā)展面臨兩大途徑:一方面是將傳統(tǒng)的超精加工技術(shù),如機(jī)械加工(單點(diǎn)金剛石和CBN刀具切削、磨削、拋光)(電化學(xué)加工(ECM)、電火花加工(EDM)、離子和等離子體蝕刻、分子束外延(MBE)、物理和化學(xué)氣相沉積、激光束加工(LIGA)技術(shù)等向其極限精度逼近,使其具有納米的加工能力。另一方面,開(kāi)拓新效應(yīng)的加工方法,如STM對(duì)表面的納米加工,可操縱原子和分子,并對(duì)表面進(jìn)行刻蝕。如美國(guó)的IBM公司利用STM將35個(gè)原子排出“IBM”三個(gè)字樣,且在硅片上覆蓋一層20nm厚的聚甲基丙烯甲酯(PMMA),再利用STM光刻,得到10nm寬的線條等。
5.納米測(cè)量技術(shù)
以上所涉及有關(guān)納米技術(shù)的研究,均離不開(kāi)對(duì)它們的分析測(cè)試工作-納米測(cè)量技術(shù),或稱之為納分析和納探針技術(shù)。其中,納探針技術(shù)發(fā)展迅速并較為成熟,隨著20世紀(jì)80年代STM的出現(xiàn),使人們能直接觀察到物質(zhì)表面的原子結(jié)構(gòu),把人們帶到了微觀世界。