纳米制造及其关键性技术.docx

纳米制造及其关键技术简介 ——机械制造技术基础专题研究与讨论 摘要 纳米制造是多学科的新型交叉研究领域，对其基础研究的深入展开可为前沿制造技术的进步提供有力支撑。在过去的20 多年里，基于纳米制造的探索已展示出宽广的发展前景，并将在多个行业为社会带来巨大的经济效益。纳米制造可分为机械加工、化学腐蚀、能量束加工、复合加工、隧道扫描显微技术加工等多种方法。本文在简要介绍纳米制造背景、应用的同时，着重介绍纳米制造技术的加工技术。 关键词：纳米制造 纳米机械加工 能量束加工 隧道式近场放电加工 1. 综述 纳米科学技术是目前发展迅速、最富有活力的科学技术领域，受到世界各国的高度重视。纳米科学与技术集合交叉了多学科内容，是一个融前沿探索、高技术、工程应用于一体的科学技术体系。纳米科技在纳米尺寸范围内认识和改造自然，开辟了人类认识世界的新层次，使人们改造自然的能力直接延伸到分子、原子尺度水平，这标志着人类的科学技术进入了一个新时代。许多专家认为，以纳米科学为中心的科学技术将成为21世纪的主导。 纳米科技包括有：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米制造学等等。其中纳米制造学占有重要地位。纳米科学技术在不同的科学领域有具体的内涵和表现，纳米制造科学技术主要涉及到纳米量级（0.1~100nm）的几何加工精度、形位加工精度和表面粗糙度。 纳米制造任务不是由某一项技术独自完成的，而是由许多方法和技术所共同承担。这些方法相辅相成，各具所长，构成了纳米制造技术群，承担着丰富多样的纳米制造任务。 从实现纳米微结构的方式和途径来看，构成纳米制造技术体系的方法可以分作为两类：一种是通过原子、分子的移动、搬迁、重组来构成纳米尺度的微结构，即所谓的自下而上 (Bottom—up)的方法，基于扫描隧道显微镜STM的原子搬移方法属于此类；另一类方法是将大的原材料加工变小，逐步形成所需要的纳米结构或器件，这种通常所见的方式可称为自上而下 (Top—down)的方式，束流、超精加工等许多方法都属于这一类。另一方面，纳米制造技术也可以按在制造过程中材料的增减方式进行分类：减材过程(微蚀除、切削加工、电加工、激光加工等)、增材过程(微沉积、ILGA精密电铸)。 纳米制造有着重要的工业前景，是许多技术领域发生重大发展的基础和支撑技术。纳米制造科学技术领域还存在许多未知，需要人们去探索、了解、掌握、发明和创造。纳米制造的新概念、新技术、新工艺将不断出现，在生产实际中的应用会愈来愈深入和广泛。 2. 纳米技术与纳米制造 纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物。 图1 利用纳米技术将氙原子排成IBM 图2 应用纳米技术制成的服装 纳米制造是描述对纳米尺度的粉末、液体等材料的规模化的生产，或者描述从纳米尺度按照自上而下或自下而上的方式制造器件，是纳米技术的一项具体的应用。 “纳米制造”尽管被美国国家纳米技术倡议（NNI）等广泛使用，但并没有给出纳米制造的明确定义。相反，纳米组装则被定义为：通过直接或者自组装方法，在原子或分子水平上制造功能结构或者设备的能力。相对于纳米组装而言，纳米制造更偏重于纳米技术产品的工业级别制造，其重点更多的在于低成本和可靠性等方面。 3. 纳米制造技术的制造对象 广义地说，只要尺寸至少在一维尺度上小于100nm结构都是纳米技术的制造对象。 具体言之，该结构应满足以下几点要求： (1)它是一种符合物理和化学定律的结构，这些定律是在原子水平级上的。 (2)它是一种生产价格不超过所需原材料和能源成本的结构。 (3)它能定位装配和自我复制。定位装配就是在适当地方放上适当的分子零件；自我复制能始终保持价格低廉。 纳米技术发展的不同时期，纳米制造对象的内涵也不同。例如，1990年以前，主要集中在纳米颗粒(纳米晶、纳米相、纳米非晶等)以及由它们组成的薄膜与块体的制备；而1990年到1994年间主要是制备纳米复合材料，一般采用纳米微粒与微粒复合、纳米微粒与常规块体复合、以及发展复合纳米薄膜；1994年以后，纳米制造的对象开始涉及纳米丝、纳米管、微孔和介孔材料；未来的方向则是制作仅由一个或数个原子构成的“纳米结构”，并以此来构筑具有三维纳米结构的系统。 4. 纳米制造的加工技术 按加工方式，纳米级加工可分为切削加工、磨料加工（分固结磨料和游离磨料）、特种加工和复合加工四类。 纳米级加工还可分为传统加工、非传统加工和复合加工。传统加工是指刀具切削加工、固有磨料和游离磨料加