納米技術(shù)原理及其在機(jī)械制造領(lǐng)域的發(fā)展前景

許衛(wèi)國

(中國平煤神馬能源化工集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467099)

20世紀(jì)80年代末至90年代初興起的納米技術(shù)，被公認(rèn)為是2l世紀(jì)最具有前途的科研領(lǐng)域。雖然納米科技主流技術(shù)全面進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化可能還需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，但是在納米材料等領(lǐng)域已經(jīng)有一些技術(shù)正在進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化時(shí)代。納米技術(shù)的出現(xiàn)解決了機(jī)械制造產(chǎn)品加工精度從微米級(jí)提高到納米級(jí)的問題，因而納米技術(shù)在制造業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。我國是一個(gè)制造大國但不是制造強(qiáng)國，研究納米技術(shù)的技術(shù)原理及其在制造領(lǐng)域的具體應(yīng)用，對(duì)于我國制造業(yè)做大休憩強(qiáng)具有重要意義。

一 納米加工技術(shù)的提出

(一)納米加工技術(shù)的物理解釋

納米是一個(gè)幾何計(jì)量單位，納米技術(shù)是以納米材料為茂盛的。納米材料是指幾何單位在lOOnm以內(nèi)，具有特殊性能的材料。納米技術(shù)是指在100nm以內(nèi)研究原子、分子結(jié)構(gòu)及相互作用，并加以應(yīng)用的技術(shù)。材料在納米層級(jí)會(huì)產(chǎn)生新的物理特性，這一特性為人們?cè)诂F(xiàn)有材料的基礎(chǔ)上可以生產(chǎn)一些新材料。根據(jù)基礎(chǔ)材料在納米層級(jí)上表現(xiàn)出來的物理特性制造出來的產(chǎn)品叫做納米產(chǎn)品。在納米技術(shù)的支持下，機(jī)械產(chǎn)品加工方式出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。與傳統(tǒng)的切削、磨削等加工模式不同，納米加工技術(shù)直接以工件表面的原子和分子為對(duì)象。從物理學(xué)意義上講，納米加工就是改變?cè)娱g的結(jié)合。這就需要有超乎原子結(jié)合能量的能量，因此納米加工主要是利用光子、離子等基本能子的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的能量進(jìn)行加工，通過這些能子對(duì)加式對(duì)象原子結(jié)構(gòu)的撞擊，從原子間尋找縫隙，從而使原子出現(xiàn)分離，達(dá)到加工的目的。

(二)工件精度要求推動(dòng)了納米加工技術(shù)的發(fā)展

納米技術(shù)的顯著效果之一是改變了傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品的物理單位，將毫米進(jìn)化為納米。納米技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械中，可以大大降低機(jī)械的體積，從而可以生產(chǎn)出各種各樣的新型機(jī)械。隨著機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)機(jī)械加工的精度要求越來越高。但是，加工精度的提高通常要依賴于工作母機(jī)自身的加工精度。也就是說，工作母機(jī)的精度應(yīng)當(dāng)高于工件的精度，因?yàn)槟笝C(jī)在工作過程中會(huì)出現(xiàn)誤差。為了保障精度，要求母機(jī)在工作過程中必須保持超穩(wěn)定的工作環(huán)境，為此需要采用隔離和平衡等技術(shù)措施消除加工過程中的不穩(wěn)定因素。但是，母機(jī)在工作過程中，工藝系統(tǒng)的受力和受熱變形是不可避免的，因而超穩(wěn)定的工作狀態(tài)只是相對(duì)的，因而母機(jī)的加工精度，根本無法補(bǔ)償其在工作過程中產(chǎn)生的精度損失。因此，納米加工只能另尋出路，采用光、電等基本粒子加工技術(shù)取代傳統(tǒng)的機(jī)械加工技術(shù)。

二 納米加工技術(shù)方法

(一)電子束加工技術(shù)

電子束加工技術(shù)的基本原理是通過對(duì)電子進(jìn)行加速提高其動(dòng)能，然后借助于電子束的能量對(duì)工件進(jìn)行沖擊，從而使工件表面或內(nèi)部的原子與原子之間由結(jié)合狀態(tài)改變?yōu)榉蛛x狀態(tài)，從而完成對(duì)工件的加工過程。具體而言，首先對(duì)電子進(jìn)行加速，使其聚焦成很細(xì)、能量很大的束流，能夠擊進(jìn)工件的表面，穿透層表面的原子，然后將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，使工件熔化和汽化，從而將其中的部分原子抽走，實(shí)現(xiàn)打孔、切割等工藝。

(二)離子束加工技術(shù)

離子束加工技術(shù)的基本原理是通過對(duì)進(jìn)行離子加速，將離子的動(dòng)能直接傳遞并轉(zhuǎn)化為工件原子的動(dòng)能，使其能量大于原子間結(jié)合的能量，使其能夠從工件表面逃逸出去，從而達(dá)到加工的目的。

(三)激光束加工技術(shù)

激光束加工技術(shù)的基本原理是通過對(duì)光子的頻率和和波長(zhǎng)和調(diào)整，使其具務(wù)足夠的能量熔化、汽化、去除工件的原子，從而達(dá)到加工的目的。

三 納米技術(shù)在微機(jī)電系統(tǒng)的應(yīng)用

現(xiàn)代精密生產(chǎn)、航天、醫(yī)療等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展引領(lǐng)了微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，例如:人體管道自動(dòng)檢測(cè)裝置所需的微型齒輪、電機(jī)、傳感器和控制電路等的制造必須依賴于微型技術(shù)，而領(lǐng)域納米技術(shù)為微型機(jī)械的制造提供提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。

(一)微型軸承

機(jī)械在工作過程中，各部件之間的協(xié)作主要是借助于軸承來聯(lián)動(dòng)的。但是軸承也存在摩擦，只能靠潤(rùn)滑來減少摩擦的程度。在微電機(jī)系統(tǒng)中，各部件體積微小，減低摩擦力顯得尤為重要。納米技術(shù)最顯著的特性之一是其擦性能。美國科學(xué)家運(yùn)用納米技術(shù)研制出了幾乎沒有摩擦納米軸承，能夠作為微型裝置的重要元件。這種納米軸承與通常制造的微型機(jī)械的軸承相比，摩擦力僅為其最小值的千分之一。

(二)微型電機(jī)

美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校研制的微型電機(jī)，小到只能在顯微鏡下才能看得見的程度。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車輛在三維空問中運(yùn)動(dòng)的精確信息。當(dāng)微型傳感器探測(cè)到速度驟減時(shí)，就會(huì)自動(dòng)釋放安全氣囊。

(三)智能機(jī)械

美國密歇根韋思大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物分子信息小組，利用BR蛋白質(zhì)和發(fā)光染料分子研制具有電子功能的蛋白質(zhì)分子集成膜.這是一種新型邏輯元件。美國錫拉丘茲大學(xué)也利用BR蛋白質(zhì)研制模擬人腦聯(lián)想能力的中心網(wǎng)絡(luò)和聯(lián)想式存儲(chǔ)裝置。

四 結(jié)束語

制造技術(shù)是一個(gè)國家國際競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)志之一，建立在制造技術(shù)基礎(chǔ)之上的制造業(yè)一般是一個(gè)國家的支柱產(chǎn)業(yè)，它的生產(chǎn)總值可以占到一個(gè)國家GDP的百分之二十左右。經(jīng)過持續(xù)多年的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，我國已經(jīng)成為了制造大國，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)還不是制造強(qiáng)國?；仡櫴澜缈萍及l(fā)展的歷史，大約每一百年左右就會(huì)出現(xiàn)一次大的科學(xué)技術(shù)革命。著名科學(xué)家錢學(xué)森曾經(jīng)預(yù)言:“納米和納米以下結(jié)構(gòu)是下一階段科技發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)，會(huì)是一次革命”。所以，二十一世紀(jì)將是以納米為代表，并由納米主導(dǎo)的技術(shù)革命。在新的一次產(chǎn)業(yè)革命到來之際，為我國制造業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。我應(yīng)不失時(shí)機(jī)地抓住這次機(jī)遇，加大科技投入和研發(fā)力度，加快科技創(chuàng)新步伐，引領(lǐng)科技潮流，爭(zhēng)取早日使我國由一個(gè)制造大國轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)制造強(qiáng)國。

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