(完整word版)納米制造及其關(guān)鍵技術(shù)

(完整word版)納米制造及其關(guān)鍵技術(shù)納米制造及其關(guān)鍵技術(shù)簡介—-機械制造技術(shù)基礎(chǔ)專題研究與討論摘要納米制造是多學科的新型交叉研究領(lǐng)域，對其基礎(chǔ)研究的深入展開可為前沿制造技術(shù)的進步提供有力支撐。在過去的20多年里，基于納米制造的探索已展示出寬廣的發(fā)展前景,并將在多個行業(yè)為社會帶來巨大的經(jīng)濟效益。納米制造可分為機械加工、化學腐蝕、能量束加工、復合加工、隧道掃描顯微技術(shù)加工等多種方法。本文在簡要介紹納米制造背景、應用的同時，著重介紹納米制造技術(shù)的加工技術(shù)。關(guān)鍵詞：納米制造納米機械加工能量束加工隧道式近場放電加工綜述納米科學技術(shù)是目前發(fā)展迅速、最富有活力的科學技術(shù)領(lǐng)域，受到世界各國的高度重視。納米科學與技術(shù)集合交叉了多學科內(nèi)容,是一個融前沿探索、高技術(shù)、工程應用于一體的科學技術(shù)體系。納米科技在納米尺寸范圍內(nèi)認識和改造自然，開辟了人類認識世界的新層次，使人們改造自然的能力直接延伸到分子、原子尺度水平，這標志著人類的科學技術(shù)進入了一個新時代。許多專家認為,以納米科學為中心的科學技術(shù)將成為21世紀的主導.納米科技包括有:納米體系物理學、納米化學、納米材料學、納米生物學、納米電子學、納米制造學等等。其中納米制造學占有重要地位。納米科學技術(shù)在不同的科學領(lǐng)域有具體的內(nèi)涵和表現(xiàn)，納米制造科學技術(shù)主要涉及到納米量級(0.1?100nm)的幾何加工精度、形位加工精度和表面粗糙度。納米制造任務不是由某一項技術(shù)獨自完成的，而是由許多方法和技術(shù)所共同承擔。這些方法相輔相成，各具所長,構(gòu)成了納米制造技術(shù)群，承擔著豐富多樣的納米制造任務。從實現(xiàn)納米微結(jié)構(gòu)的方式和途徑來看，構(gòu)成納米制造技術(shù)體系的方法可以分作為兩類：一

（完整word版）納米制造及其關(guān)鍵技術(shù)種是通過原子、分子的移動、搬遷、重組來構(gòu)成納米尺度的微結(jié)構(gòu)，即所謂的自下而上（Bottom—up）的方法，基于掃描隧道顯微鏡STM的原子搬移方法屬于此類；另一類方法是將大的原材料加工變小，逐步形成所需要的納米結(jié)構(gòu)或器件，這種通常所見的方式可稱為自上而下（Top—down）的方式，束流、超精加工等許多方法都屬于這一類.另一方面，納米制造技術(shù)也可以按在制造過程中材料的增減方式進行分類:減材過程（微蝕除、切削加工、電加工、激光加工等）、增材過程（微沉積、ILGA精密電鑄）。納米制造有著重要的工業(yè)前景，是許多技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生重大發(fā)展的基礎(chǔ)和支撐技術(shù)。納米制造科學技術(shù)領(lǐng)域還存在許多未知，需要人們?nèi)ヌ剿?、了解、掌握、發(fā)明和創(chuàng)造.納米制造的新概念、新技術(shù)、新工藝將不斷出現(xiàn)，在生產(chǎn)實際中的應用會愈來愈深入和廣泛。納米技術(shù)與納米制造納米技術(shù)（nanotechnology）是用單個原子、分子制造物質(zhì)的科學技術(shù)，硏究結(jié)構(gòu)尺寸在>>小他A7b八圖2應用納米技術(shù)制成的服裝0。1至>>小他A7b八圖2應用納米技術(shù)制成的服裝圖1利用納米技術(shù)將氙原子排卡成IBM納米制造是描述對納米尺度的粉末、液體等材料的規(guī)模化的生產(chǎn)，或者描述從納米尺度按照自上而下或自下而上的方式制造器件，是納米技術(shù)的一項具體的應用。（完整word版）納米制造及其關(guān)鍵技術(shù)“納米制造"盡管被美國國家納米技術(shù)倡議（NNI）等廣泛使用，但并沒有給出納米制造的明確定義。相反，納米組裝則被定義為：通過直接或者自組裝方法，在原子或分子水平上制造功能結(jié)構(gòu)或者設備的能力。相對于納米組裝而言，納米制造更偏重于納米技術(shù)產(chǎn)品的工業(yè)級別制造，其重點更多的在于低成本和可靠性等方面。3。納米制造技術(shù)的制造對象廣義地說，只要尺寸至少在一維尺度上小于100nm結(jié)構(gòu)都是納米技術(shù)的制造對象.具體言之，該結(jié)構(gòu)應滿足以下幾點要求：（1）它是一種符合物理和化學定律的結(jié)構(gòu)，這些定律是在原子水平級上的。（2）它是一種生產(chǎn)價格不超過所需原材料和能源成本的結(jié)構(gòu).（3）它能定位裝配和自我復制。定位裝配就是在適當?shù)胤椒派线m當?shù)姆肿恿慵蛔晕覐椭颇苁冀K保持價格低廉。納米技術(shù)發(fā)展的不同時期，納米制造對象的內(nèi)涵也不同。例如，1990年以前，主要集中在納米顆粒（納米晶、納米相、納米非晶等）以及由它們組成的薄膜與塊體的制備；而1990年到1994年間主要是制備納米復合材料，一般采用納米微粒與微粒復合、納米微粒與常規(guī)塊體復合、以及發(fā)展復合納米薄膜；1994年以后，納米制造的對象開始涉及納米絲、納米管、微孔和介孔材料；未來的方向則是制作僅由一個或數(shù)個原子構(gòu)成的“納米結(jié)構(gòu)”,并以此來構(gòu)筑具有三維納米結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。納米制造的加工技術(shù)按加工方式,納米級加工可分為切削加工、磨料加工（分固結(jié)磨料和游離磨料）、特種加工和復合加工四類。納米級加工還可分為傳統(tǒng)加工、非傳統(tǒng)加工和復合加工.傳統(tǒng)加工是指刀具切削加工、固有

（完整word版）納米制造及其關(guān)鍵技術(shù)磨料和游離磨料加工;非傳統(tǒng)加工是指利用各種能量對材料進行加工和處理；復合加工是采用多種加工方法的復合作用。納米級加工技術(shù)也可以分為機械加工、化學腐蝕、能量束加工、復合加工、隧道掃描顯微技術(shù)加工等多種方法.機械加工方法有單晶金剛石刀具的超精密切削，金剛石砂輪和CBN砂輪的超精密磨削和鏡面磨削、磨、砂帶拋光等固定磨料工具的加工，硏磨、拋光等自由磨料的加工等，能束加工可以對被加工對象進行去除，添加和表面改性等工藝，例如，用激光進行切害U、鉆孑閑表面硬化改性處理。用電子束進行光刻、焊接、微米級和納米級鉆孔、切削加工，離子和等離子體刻蝕等.屬于能量束的加工方法還包括電火花加工、電化學加工、電解射流加工、分子束外延等.STM加工是最新技術(shù)，可以進行原子級操作和原子去除、增添和搬遷等。4。1納米機械加工納米機械加工技術(shù)具有原理簡單、應用廣泛的特點，是一種重要的由上而下的納米加工技術(shù)。典型的納米機械加工技術(shù)包括金剛石刀具車削、金剛石磨粒加工以及金剛石微探針納米刻劃.上個世紀80年代,日本大阪大學和美國勞倫斯實驗室開展了超精密切削加工極限的實驗硏究，使用單點金剛石刀具直角車削電鍍銅，實現(xiàn)了切削厚度為1nm的穩(wěn)定切削。中國科學院長春光學精密機械與物理硏究所采用彈性頂針式光柵刻劃刀刀架和圓弧形刀刃光柵刻劃刀，加工出了刻線密度為1001/mm的10。6Lm激光系統(tǒng)用30m曲率半徑凹面金屬光柵。圖3納米刃口刀具的制備4圖3納米刃口刀具的制備4基于所制備的刀具制造的菲涅耳衍射元(完整(完整word版)納米制造及其關(guān)鍵技術(shù)(完整(完整word版)納米制造及其關(guān)鍵技術(shù)（完整（完整word版）納米制造及其關(guān)鍵技術(shù)4.2微細電解加工電解加工是利用金屬陽極電化學溶解原理來去除材料的加工技術(shù)，這種加工原理使得電解加工具有微細加工的可能.如圖5所示，電解加工系統(tǒng)由陰極、陽極、電源、電解液及電解槽等部分組成.通過降低加工電壓、提高脈沖頻率和電解液濃度，可將加工間隙控制在10pm以下。4.3能量束加工能量束加工包含電子束加工、離子束加工和激光束加工，可用于打孔、切割、刻蝕、焊接、表面熱處理、表面改性等加工。下面介紹電子束加工。電子束加工原理如圖7所示，在真空中將陰極（電子槍）不斷發(fā)射出來的負電子向正極加速并聚焦成極細的、能量密度極高的束流，高速運動的電子撞擊到工件表面，動能轉(zhuǎn)化為熱能,使材料熔化、氣化并在真空中被抽走?？刂齐娮邮膹娙鹾推D(zhuǎn)方向配合工作臺x、y方向的數(shù)控位移，可實現(xiàn)打孔、成型切害U、刻蝕、焊接、表面熱處理、光刻曝光等工藝?？稍?。5mm不銹鋼板上加工出3pm的小孔，切割出3—6pm的窄縫，可在硅片上刻出寬2.5pm、深0.25pm的細槽。集成電路制造中廣泛采用電子束光刻曝光，由于電子束射線的波長比可見光短得多，所以比用可見光光刻可以達到更高的0。25pm線條圖形分辨率.用波長更短的x射線聚焦后對特殊的光敏抗蝕劑進行掃描曝光，可以刻蝕出更精密的圖形.4.4基于STM的納米加工掃描隧道顯微鏡(STM)是一種基于量子隧道效應的高分辨率顯微鏡，它可達到原子量級的分辨率，同時它還可以進行原子、分子的搬遷、去除和添加，實現(xiàn)納米量級甚至原子量級的超微細加工。在STM工作時，探針針尖與工件表面之間保持1納米以下極其微小的距離，施加在針尖和基材間的電壓導致很高的場強，產(chǎn)生隧道電流束。通過改變場強等某些參數(shù)，處于針尖下的樣品由于電子束的影響會發(fā)生某些物理化學變化，如:相變、化學反應、吸附、化學沉淀和腐蝕等，這就給“加工”提供了可能。同時由于隧道電流束空間通道極其狹小，因此受到影響或發(fā)生反應的表面區(qū)域也十分微小,直徑通常在納米量級.在如此小的區(qū)域上發(fā)生某種反應和變化意味著納米級加工、納米級微結(jié)構(gòu)的制造。自1981年STM問世以來,基于它的加工技術(shù)己經(jīng)進行了很多探索性工作，硏究在多個方面展開：微小粒子及單原子操作、表面直接刻寫、光刻、沉積和刻蝕，已經(jīng)有許多加工實例被演示和報道。利用STM技術(shù)進行刻蝕和沉積也受到特別關(guān)注。加工過程可在溶液中或氣相環(huán)境下進行.采用稀釋的HF等腐蝕性液體作為電解液，施加適當?shù)乃淼离娏?、偏置電壓和掃描速度，可在某些材料上進行直接刻蝕,腐蝕出納米級寬度的線條,而當采用含有金屬離子的電解液時，通過適當?shù)募庸ひ?guī)準和條件,針尖對應的局部微小區(qū)域會產(chǎn)生金屬離子的電化學沉積，形成納米級寬和高的微結(jié)構(gòu)。STM可以提供低能聚焦電子束，由計算機控制作精確的掃描運動，對涂覆了抗蝕膜的（完整（完整word版）納米制造及其關(guān)鍵技術(shù)（完整word版）納米制造及其關(guān)鍵技術(shù)樣品表面進行直寫光刻口由于這個低能電子束的束徑極小,因此可以獲得很小線寬的圖形。通過對抗蝕膜顯影處理、金屬沉積、抗蝕膜去除等一系列工藝，最終在表面形成金屬薄膜構(gòu)成的圖形.STM在納米刻蝕方面的表現(xiàn)已引起極大的關(guān)注。圖9STM結(jié)構(gòu)示意圖圖9STM結(jié)構(gòu)示意圖圖10STM加工系統(tǒng)4。5復合加工復合加工是采用幾種不同的能量形式、幾種不同的工藝方法，相互取常補短、復合作用的加工技術(shù)，例如電解硏磨、超聲電解、超聲電解硏磨、超聲電鑄、超聲電火花、超聲激光加工等等，可比單一加工方法更有效，適用范圍更廣泛。5?結(jié)束語納米制造是納米科學技術(shù)的核心部分。它是高度交叉的綜合性學科，這一新的學科體系正在形成，它涉及到許多新原理、新技術(shù)、新思維，交叉融會了多學科知識。納米制造技術(shù)在航空、航天、電子、信息、微機械、生物、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣闊的應用前景。通過查閱資料，我對納米制造技術(shù)有了初步的認識，了解了納米制造與傳統(tǒng)的制造工藝的主要不同與其各自的優(yōu)勢，從整體上把握了納米加工常用的幾類方法，并對其中典型的方法進行了初步了解.納米制造及其關(guān)鍵技術(shù)是一項范圍很大的硏究題目，涉及到物理、化學、機械、等多領(lǐng)域的知識，在短時間內(nèi)是不可能盡數(shù)掌握的，但在撰寫小論文的過程對我開闊視野、擴展知識面有著很大的幫助。參考文獻：［1］朱荻.納米制造技術(shù)與特種加工［D1,南京：南京航空航天大學。［2］房豐洲.納米制造基礎(chǔ)硏究的相關(guān)進展［J］.中國基礎(chǔ)科學，2014,5:9—15.［3］沈健.納米技術(shù)進展研究［D］。中南大學,20