纳米技术原理及其在机械制造领域的发展前景

许卫国

(中国平煤神马能源化工集团有限公司，河南 平顶山 467099)

20世纪80年代末至90年代初兴起的纳米技术，被公认为是2l世纪最具有前途的科研领域。虽然纳米科技主流技术全面进入产业化可能还需要相当长的时间，但是在纳米材料等领域已经有一些技术正在进入产业化时代。纳米技术的出现解决了机械制造产品加工精度从微米级提高到纳米级的问题，因而纳米技术在制造业具有广泛的应用前景。我国是一个制造大国但不是制造强国，研究纳米技术的技术原理及其在制造领域的具体应用，对于我国制造业做大休憩强具有重要意义。

一 纳米加工技术的提出

(一)纳米加工技术的物理解释

纳米是一个几何计量单位，纳米技术是以纳米材料为茂盛的。纳米材料是指几何单位在lOOnm以内，具有特殊性能的材料。纳米技术是指在100nm以内研究原子、分子结构及相互作用，并加以应用的技术。材料在纳米层级会产生新的物理特性，这一特性为人们在现有材料的基础上可以生产一些新材料。根据基础材料在纳米层级上表现出来的物理特性制造出来的产品叫做纳米产品。在纳米技术的支持下，机械产品加工方式出现了质的飞跃。与传统的切削、磨削等加工模式不同，纳米加工技术直接以工件表面的原子和分子为对象。从物理学意义上讲，纳米加工就是改变原子间的结合。这就需要有超乎原子结合能量的能量，因此纳米加工主要是利用光子、离子等基本能子的运动所产生的能量进行加工，通过这些能子对加式对象原子结构的撞击，从原子间寻找缝隙，从而使原子出现分离，达到加工的目的。

(二)工件精度要求推动了纳米加工技术的发展

纳米技术的显著效果之一是改变了传统的机电产品的物理单位，将毫米进化为纳米。纳米技术应用在机械中，可以大大降低机械的体积，从而可以生产出各种各样的新型机械。随着机械制造技术的发展，对机械加工的精度要求越来越高。但是，加工精度的提高通常要依赖于工作母机自身的加工精度。也就是说，工作母机的精度应当高于工件的精度，因为母机在工作过程中会出现误差。为了保障精度，要求母机在工作过程中必须保持超稳定的工作环境，为此需要采用隔离和平衡等技术措施消除加工过程中的不稳定因素。但是，母机在工作过程中，工艺系统的受力和受热变形是不可避免的，因而超稳定的工作状态只是相对的，因而母机的加工精度，根本无法补偿其在工作过程中产生的精度损失。因此，纳米加工只能另寻出路，采用光、电等基本粒子加工技术取代传统的机械加工技术。

二 纳米加工技术方法

(一)电子束加工技术

电子束加工技术的基本原理是通过对电子进行加速提高其动能，然后借助于电子束的能量对工件进行冲击，从而使工件表面或内部的原子与原子之间由结合状态改变为分离状态，从而完成对工件的加工过程。具体而言，首先对电子进行加速，使其聚焦成很细、能量很大的束流，能够击进工件的表面，穿透层表面的原子，然后将动能转化为热能，使工件熔化和汽化，从而将其中的部分原子抽走，实现打孔、切割等工艺。

(二)离子束加工技术

离子束加工技术的基本原理是通过对进行离子加速，将离子的动能直接传递并转化为工件原子的动能，使其能量大于原子间结合的能量，使其能够从工件表面逃逸出去，从而达到加工的目的。

(三)激光束加工技术

激光束加工技术的基本原理是通过对光子的频率和和波长和调整，使其具务足够的能量熔化、汽化、去除工件的原子，从而达到加工的目的。

三 纳米技术在微机电系统的应用

现代精密生产、航天、医疗等产业的发展引领了微机电系统的发展，例如:人体管道自动检测装置所需的微型齿轮、电机、传感器和控制电路等的制造必须依赖于微型技术，而领域纳米技术为微型机械的制造提供提供了强大的技术支撑。

(一)微型轴承

机械在工作过程中，各部件之间的协作主要是借助于轴承来联动的。但是轴承也存在摩擦，只能靠润滑来减少摩擦的程度。在微电机系统中，各部件体积微小，减低摩擦力显得尤为重要。纳米技术最显著的特性之一是其擦性能。美国科学家运用纳米技术研制出了几乎没有摩擦纳米轴承，能够作为微型装置的重要元件。这种纳米轴承与通常制造的微型机械的轴承相比，摩擦力仅为其最小值的千分之一。

(二)微型电机

美国加利福尼亚大学伯克利分校研制的微型电机，小到只能在显微镜下才能看得见的程度。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车辆在三维空问中运动的精确信息。当微型传感器探测到速度骤减时，就会自动释放安全气囊。

(三)智能机械

美国密歇根韦思大学医学院生物分子信息小组，利用BR蛋白质和发光染料分子研制具有电子功能的蛋白质分子集成膜.这是一种新型逻辑元件。美国锡拉丘兹大学也利用BR蛋白质研制模拟人脑联想能力的中心网络和联想式存储装置。

四 结束语

制造技术是一个国家国际竞争力的重要标志之一，建立在制造技术基础之上的制造业一般是一个国家的支柱产业，它的生产总值可以占到一个国家GDP的百分之二十左右。经过持续多年的经济增长，我国已经成为了制造大国，但远远还不是制造强国。回顾世界科技发展的历史，大约每一百年左右就会出现一次大的科学技术革命。著名科学家钱学森曾经预言:“纳米和纳米以下结构是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次革命”。所以，二十一世纪将是以纳米为代表，并由纳米主导的技术革命。在新的一次产业革命到来之际，为我国制造业带来了新的挑战与机遇。我应不失时机地抓住这次机遇，加大科技投入和研发力度，加快科技创新步伐，引领科技潮流，争取早日使我国由一个制造大国转变为一个制造强国。

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[2]敖小宝，游誉林.纳米技术在微型机械中的应用.机械制造与自动化，2005(06).

[3]苑国良.纳米技术及其在机械中的应用.世界制造技术与装备市场，2002(03).

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