超精密加工及納米

超精密加工與納米加工技術(shù)背景20世紀60年代為了適應核能、大規(guī)模集成電路、激光和航天等尖端技術(shù)的需要而發(fā)展起來的精度極高的加工技術(shù)。超精密加工的精度比傳統(tǒng)的精密加工提高了一個以上的數(shù)量級。到20世紀80年代，加工尺寸精度可達10納米(1×10-8米)，表面粗糙度達1納米。超精密加工對工件材質(zhì)、加工設(shè)備、工具、測量和環(huán)境等條件都有特殊的要求，需要綜合應用精密機械、精密測量、精密伺服系統(tǒng)、計算機控制以及其他先進技術(shù)。工件材質(zhì)必須極為細致均勻，并經(jīng)適當處理以消除內(nèi)部殘余應力,保證高度的尺寸穩(wěn)定性,防止加工后發(fā)生變形。加工設(shè)備要有極高的運動精度，導軌直線性和主軸回轉(zhuǎn)精度要達到0.1微米級,微量進給和定位精度要達到0.01微米級。對環(huán)境條件要求嚴格，須保持恒溫、恒濕和空氣潔凈，并采取有效的防振措施。加工系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差和隨機誤差都應控制在0.1微米級或更小。這些條件是靠綜合應用精密機械、精密測量、精密伺服系統(tǒng)和計算機控制等各種先進技術(shù)獲得的。。通常，按加工精度劃分，機械加工可分為一般加工、精密加工、超精密加工三個階段。目前，精密加工是指加工精度為1~0.1μm，表面粗糙度為Ra0.1~0.01μm的加工技術(shù)，但這個界限是隨著加工技術(shù)的進步不斷變化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。發(fā)展歷史20世紀50年代至80年代為技術(shù)開創(chuàng)期。20世紀50年代末，出于航天、國防等尖端技術(shù)發(fā)展的需要，美國率先發(fā)展了超精密加工技術(shù)，開發(fā)了金剛石刀具超精密切削——單點金剛石切削技術(shù)，又稱為“微英寸技術(shù)”，用于加工激光核聚變反射鏡、戰(zhàn)術(shù)導彈及載人飛船用球面、非球面大型零件等。從1966年起，美國的unionCarbide公司、荷蘭Philips公司和美國LawrenceLivemoreLaboratories陸續(xù)推出各自的超精密金剛石車床，但其應用限于少數(shù)大公司與研究單位的試驗研究，并以國防用途或科學研究用途的產(chǎn)品加工為主。這一時期，金剛石車床主要用于銅、鋁等軟金屬的加工，也可以加工形狀較復雜的工件，但只限于軸對稱形狀的工件例如非球面鏡等。20世紀80年代至90年代為民間工業(yè)應用初期。在20世紀80年代，美國政府推動數(shù)家民間公司MooreSpecialTool和PneumoPrecision公司開始超精密加工設(shè)備的商品化，而日本數(shù)家公司如Toshiba和Hitachi與歐洲的Cmfield大學等也陸續(xù)推出產(chǎn)品，這些設(shè)備開始面向一般民間工業(yè)光學組件商品的制造。但此時的超精密加工設(shè)備依然高貴而稀少，主要以專用機的形式訂作。在這一時期，除了加工軟質(zhì)金屬的金剛石車床外，可加工硬質(zhì)金屬和硬脆性材料的超精密金剛石磨削也被開發(fā)出來。該技術(shù)特點是使用高剛性機構(gòu)，以極小切深對脆性材料進行延性研磨，可使硬質(zhì)金屬和脆性材料獲得納米級表面粗糙度。當然，其加工效率和機構(gòu)的復雜性無法和金剛石車床相比。20世紀80年代后期，美國通過能源部“激光核聚變項目”和陸、海、空三軍“先進制造技術(shù)開發(fā)計劃”對超精密金剛石切削機床的開發(fā)研究，投入了巨額資金和大量人力，實現(xiàn)了大型零件的微英寸超精密加工。美國LLNL國家實驗室研制出的大型光學金剛石車床成為超精密加工史上的經(jīng)典之作。這是一臺最大加工直徑為1．625m的立式車床，定位精度可達28nm，借助在線誤差補償能力，可實現(xiàn)長度超過1m、而直線度誤差只有士25nm的加工。20世紀90年代至今為民間工業(yè)應用成熟期。

從1990年起，由于汽車、能源、醫(yī)療器材、信息、光電和通信等產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，超精密加工機的需求急劇增加，在工業(yè)界的應用包括非球面光學鏡片、Fresnel鏡片、超精密模具、磁盤驅(qū)動器磁頭、磁盤基板加工、半導體晶片切割等。在這一時期，超精密加工設(shè)備的相關(guān)技術(shù)，例如控制器、激光干涉儀、空氣軸承精密主軸、空氣軸承導軌、油壓軸承導軌、摩擦驅(qū)動進給軸也逐漸成熟，超精密加工設(shè)備變?yōu)楣I(yè)界常見的生產(chǎn)機器設(shè)備，許多公司，甚至是小公司也紛紛推出量產(chǎn)型設(shè)備。此外，設(shè)備精度也逐漸接近納米級水平，加工行程變得更大，加工應用也逐漸增廣，除了金剛石車床和超精密研磨外，超精密五軸銑削和飛切技術(shù)也被開發(fā)出來，并且可以加工非軸對稱非球面的光學鏡片。發(fā)展趨勢

精密化

智能化

自動化

高效化

信息化

柔性化

集成化

超精密加工關(guān)鍵技術(shù)超精密機床技術(shù)對超精密機床的要求：高精度：幾何精度、定位精度和重復定位精度、分辨率。高剛度：靜剛度、動剛度、接觸剛度、工藝系統(tǒng)剛度高穩(wěn)定性：長時間保持精度，抗干擾，工作穩(wěn)定。耐磨性、抗振性、無熱變形高自動化：納米級精度的加工和納米級表層的加工，即原子和分子的去除、搬遷和重組是納米技術(shù)主要內(nèi)容之一。納米加工技術(shù)擔負著支持最新科學技術(shù)步的重要使命。國防戰(zhàn)略發(fā)展的需要和納米級精度產(chǎn)品高利潤市場的吸引，促使了納米加工技術(shù)產(chǎn)生并迅速發(fā)展。例如，現(xiàn)代武器慣導儀表的精密陀螺、激光核聚變反射鏡、大型天體望遠鏡反射鏡和多面棱鏡、大規(guī)模集成電路硅片、計算機磁盤及復印機磁鼓等都需要進行納米級加工。納米加工技術(shù)的發(fā)展也促進了機械、電子、半導體、光學、傳感器和測量技術(shù)以及材料科學的發(fā)展。納米加工技術(shù)是一門新興的綜合性加工技術(shù)。它集成了現(xiàn)代機械學、光學、電子、計算機、測量及材料等先進技術(shù)成就，使得加工的精度從20世紀60年代初的微米級提高到目前的10nm級，在短短幾十年內(nèi)使產(chǎn)品的加工精度提高了1～2個數(shù)量級，極大的改善了產(chǎn)品的性能和可靠性。目前，納米加工技術(shù)已成為國家科學技術(shù)發(fā)展水平的重要標志。隨著各種新型功能陶瓷材料的不斷研制成功，以及用這些材料作為關(guān)鍵元件的各類裝置的高性能化，要求功能陶瓷元件的加工精度達到納米級甚至更高，這些都有力地促進了納米加工技術(shù)的進步。近年來，納米技術(shù)的出現(xiàn)促使納米加工向其極限加工精度—原子級加工進行挑戰(zhàn)。什么是納米加工？納米級精度的加工和納米級表層的加工，即原子和分子的去除、搬遷和重組。是納米技術(shù)主要內(nèi)容之一。精度為3～O．3μm，粗糙度為O．3～O·03μm的叫精密加工；精度為0．3～0．03μm，粗糙度為0．03～0．005μm的叫超精密加工，或亞微米加工；精度為0．03μm（30納米），粗糙度優(yōu)于0．005μm以上的則稱為納米（nm）加工。納米加工的實質(zhì)就是要切斷原子間的結(jié)合，實現(xiàn)原子或分子的去除，切斷原子間結(jié)合所需要的能量，必然要求超過該物質(zhì)的原子間結(jié)合能。

納米加工技術(shù)簡介包括切削加工（精密切削等）、化學腐蝕（電化學等）、復合加工、掃描隧道顯微技術(shù)加工等多種方法納米加工分類納米技術(shù)包含下列四個主要方面：

1、納米材料；⒉、納米動力學；3、納米生物學和納米藥物學；4、納米電子學。納米加工技術(shù)的內(nèi)容納米加工技術(shù)的應用幾種新興的納米加工技術(shù)1利用掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的納米加工技術(shù)2化學合成方法化學合成方法是制備納米尺度電子學器件的另一種途徑——用化學過程“自下而上”地把微觀體系的物質(zhì)單元組裝成納米器件。由于用納米探針進行機械合成很難同時組裝數(shù)目巨大的納米結(jié)構(gòu)和器件，所以研究化學合成方法非常重要。3聚焦離子束技術(shù)聚焦離子束(FIB)技術(shù)是在電場和磁場的作用下，將離子束聚焦到亞微米甚至納米量級，通過偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)及加速系統(tǒng)控制離子束，實現(xiàn)微細圖形的檢測分析和納米結(jié)構(gòu)的無掩模加工。4準分子激光直寫納米加工技術(shù)準分子激光(excimerlaser)以其高分辨率、光子能量大、冷加工、“直寫”特點、無環(huán)境污染以及對加工材料廣泛的適應性，使其成為一種重要的MEMs和納米加工