纳米技术及其发展现状.docx

纳米技术及其发展现状随着生物、环境控制、医学、航空、航天、精确制导弹药、灵巧 武器、先进情报传感器以及数据通讯等的不断发展，在结构装置微小 型化方面不断提出更新、更高的要求日前，纳米技术发展十分迅猛， 它使人类在改造自然方面进入一个新的层次它将开发物质潜在的信 息和结构能力，使单位体积物质存储和处理信息的能力实现质的飞 跃，从而给国民经济和军事能力带来深远的影响纳米技术是指纳米级(<10纳米)的材料、设计、制造、测量和控 制技术随着纳米技术的发展开创了纳米电子学、纳米材料学、纳 米生物学、纳米机械学、纳米制造学、纳米显微学及纳米测量等等新 的高技术群纳米技术是面向21世纪的一项重要技术，有着广阔的 军民两用前景美国、日本及西欧等国家均投入了大量的人力、物力 进行开发，并己在航空、航天、医疗及民用产品等方面得到了一定应 用1 微型机电系统(microelectron—mechanical systems，MEMS)10年前，人们意识到用半导体批量制造技术可以生产许多宏观 机械系统的微米尺度的样机后，就在小型机械制造领域开始了新的研 究，这导致了微型机电系统(MEMS)的出现，如微米尺度的各类传感 器以及各种阀门等。

MEMS主要的民用领域是：医学、电于工业和航空、航天如 用静电驱动的微型电机控制计算机及通讯系统在环境、医学应用中， 微型传感器可以测量各种化学物质的流量、压力和浓度在军事主要 有以下：有害化学战剂报警传感器、敌我识别、灵巧蒙皮、分布式战 场传感器网络、微机器人电子失能系统、昆虫平台等应用2 专用集成微型仪器(application specific integrated micro-instrument，ASIM)微型工程包括具有毫米、微米、纳米尺度结构的传感器和动作器 的设计、材料合成、微型机械加工、装配、总成和封装问题利用这 项技术可以把传感器、动作器和数据处理采集装置集成在一块普通的 基片上微型机电系统与微电子技术的综合集成，导致了专用集成微 型仪器(ASIM )的出现具有亚微米特点的ASIM会使亚毫米器件降低研制与试验费用、 缩小体积、减轻重量，同时还可以降低对电源和温控的要求，降低对 振动的灵敏性和通过冗余提高可靠性ASIM将在航天器和航天.系统 技术方面引起一场革命，出现超小型卫星系统，最终实现“纳米卫星”3材料工程及功能织物在材料工程方面，已经能够做到设计与控制一种材料的微观结构，从而获得所要求的宏观性能。

因此，对于材料的分子、原子结构，以及在分子尺度上的物理化学性能的测试，以成为当今材料工程中不 可缺少的技术利用纳米粒子的催化特性、极大的化学活性、极大的表面积、优 异的电磁特性、光学特性等可以制造具有奇异功能的产品，如抗紫外 线、抗可见光、抗红外线、抗电磁等的功能织物此外，纳米技术在微电子工程、生物遗传工程、微机械光学等方 面也具有广泛的应用前景纳米加工技术正如制造技术在当今各领域所起的重要作用一样，纳米加工技术 在纳米技术的各领域中也起着关键作用纳米加工技术包含机械加 工、化学腐蚀、能量束加工以及STM加工等许多方法关于纳米加 工技术日前还没有一个统一的定义，尺寸为纳米级（＜10纳米）的材料 的加工和使用称为纳米加工加工表面粗糙度为纳米级的也称为纳米 加工笔者认为所谓纳米加工技术是指零件加工的尺寸精度、形状精 度以及表面粗糙度均为纳米级（＜10纳米）通过以下加工技术可以实 现纳米级加工1超精密机械加工技术超精密机械加工方法有单点金刚石和CBN超精密切削、金刚石 和CBN超精密磨削等多点磨料加工，以及研磨、抛光、弹性发射加 工等自由磨料加工或机械化学复合加工等日前利用单点金刚石超精密切削加工已在实验室得到了 3纳米 的切屑，利用可延性磨削技术也实现了纳米级磨削，而通过弹性发射 加工等工艺则可以实现亚纳米级的去除，得到埃级的表面粗糙度。

2能量束加工技术能量束加工可以对被加工对象进行除、添加和表面处理等工艺， 主要包括离子束加工、电子束加工和光束加工等，此外电解射流加工、 电火花加工、电化学加工、分子束外延、物理和化学气相淀积等也属 于能量束加工离子束加工溅射去除、沉淀和表面处理，离子束辅助蚀刻亦是用 于纳米级加工的研究开发方向与固体工具切削加工相比，离子束加 工的位置和加工速率难以确定，为取得纳米级的加工精度，需要亚纳 米级检测系统与加工位置的闭环调节系统电子束加工是以热能的形 式去除穿透层表面的原子，可以进行刻蚀、光刻曝光、焊接、微米和 纳米级钻削和铣削加工等3 LIGA 技术(Lithographie，Galvanoformung，Abformung)LIGA工艺是由深层同步辐射X射线光刻、电铸成型、塑铸成型 等技术组合而成的综合性技术，其最基本和最核心的工艺是深度同步 辐射光刻，而电铸和塑铸工艺是LIGA产品实用化的关按与传统的 半导体工艺相比，LIGA技术具有许多独特的优点，主要有：(1) 用材广泛，可以是金属及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等2) 可以制作高度达数百微米至一千微米，高度比大于200的三维立体微结构。

3)横向尺寸可以小到O.5pm，加工精度可达0.1pm(4)可实现大批量复制、生产，成本低用LIGA技术可以制作各种微器件、微装置，己研制成功或正在 研制的LIGA产品有微传感器、微电机、微机械零件、集成光学和微 光学元件、微波元件、真空电子元件、微型医疗器械、纳米技术元件 及系统等LIGA产品的应用涉及面广泛，如加工技术、测量技术、 自动化技术、汽车及交通技术、电力及能源技术、航空及航天技术、 纺织技术、精密工程及光学、微电子学、生物医学、环境科学和化学 工程等4扫描隧道显微镜(STM)技术C.binning和H.Robrer发明的扫描隧道显微镜不但使人们可以以 单个原子的分辨率观测物体的表面结构，而且也为以单个原子为单位的纳米级加工提供了理想途径应用扫描隧道显微镜技术可以进行原 于级操作、装配和改型S T M将非常尖锐的金属针接近试件表面至 1nm左右，施加电压时隧道电流产生，隧道电流每隔0.1nm变化一 个数量级保持电流一定扫描试件表面，即可分辨出表面结构一般 隧道电流通过探针尖端的一个原子，因而其横向分辨率为原于级扫描隧道显微加工技术不仅可以进行单个原于的去除、添加和移 动，而且可以进行STM光刻、探针尖电子束感应的沉淀和腐蚀等新 的S T M加工技术。

采用微加工技术制造纳米机械（1）微细加工日本发那科公司开发的能进行车、铣、磨和电 火花加工的多功能微型精密加工车床（FANUCROBO nano Ui型），可实现5轴控制，数 控系统最小设定单位是1nm （10—3pm）该机床设有编码器半闭环 控制，还有激光全息式直线移动的全闭环控制编码器与电机直联， 具有每周6 400万个脉冲的分辨率，每个脉冲相当于坐标轴移动0. 2 nm，编码器反馈单位为1 / 3 nm，故跟踪误差在±1 / 3 nm以内百 线分辨率为1 nm，跟踪误差在±3 nm以内CNC装置采用FANUC— 16i，实现AInano轮廓控制并用FANUCSERVOMOTORai伺服电机装上高分辨率检测装置及ai系列伺服放大器，实现了微细加工2) 微型机器人在工业制造领域，微型机器人可以适应精密 微细操作，尤其在电子元器件的制造方面美国迈特公司的研究人员 最近设计出一种用于组装纳米制造系统的微型机器人，这种机器人的 长度约为5mm研究人员称，假设能利用纳米制造技术使这种机器 人的体积不断缩小，其最终的体积不会超过灰尘的微粒日本三菱公 司也开发了一种微型工业机器人，该机器人采用了 5节闭式连杆机 构，以实现手臂的轻量化与高刚性，其动作速度及精度完全可以赶上 专用机器人。

往复上下方向25 mm，水平方向100 mm的拾取动作， 所需时间缩短到0. 28 s另外，通过采用闭式连杆机构与高刚性减 速机，实现了比以往机器人高10%的位置重复精度(±5 nm)，可适 用于精密微细操作我国在微型机器人的研制方面也取得了可喜的成 绩据媒体报道，由哈尔滨工业大学研制的机器人，其操作精度达到 了纳米级，可以应用于分子生物学基因操作，能够对细胞和染色体进 行“手术”，并能在微电子、精密加工等精度要求较高的领域一显身手3) 微型电机美国俄亥俄州克利夫西卡塞大学已建立了一所 纳米级微型电机实验室，专门研究纳米技术及其超微机电系统美国 加利福尼亚大学伯克利分校研制的微型电动机，小到只能在显微镜下 才能看得见德国汽车零件制造商博士公司正在研制纳米技术传感 器，这种传感器将为人们提供关于汽车上每个零部件在三维空间中运 动的精确信息当微型传感器探测到速度骤减时，就会自动释放安全2采用自组装技术制造纳米机械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 增强纤维日前，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、合压时间检测、空张检测、墨量控制等纳米陶 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健部件的表面涂层3纳米技术在机械行业中的发展前景（1） 机械及汽车工业的滑配原件如：轴承、滑轨上应用纳米陶 瓷镀膜能产生超底的磨擦界面，大大减低磨损并能提高负载2） 塑胶流道的低粘应用：例如T型模、拉丝模、套筒和热胶 道，可有效减少积料碳化的产生几率3） 射出成型时发生的粘模、包封短射、镜面雾化及拖痕均具 有革命性的改善，尤其是在滑块及顶针上所展现的干式润滑，更是任 何金属所无法表现的优异性4） IC封装胶、橡胶及发泡塑料由于具有极高的粘着性，因此必须借助大量脱模剂来帮助脱模，纳米陶瓷的荷叶效应可减少脱模剂 的使用及模具清理时间。

5）纳米陶瓷的低摩擦、低沾粘特性使塑胶在模具内的流动性 大幅提升，特别是高精度模具例如薄光板、塑胶镜片、汽车聚光灯罩 等模具应用后对产品的不良率上均有明显的改善。