納米技術原理及其在機械制造領域的發展前景

許衛國

(中國平煤神馬能源化工集團有限公司，河南 平頂山 467099)

20世紀80年代末至90年代初興起的納米技術，被公認為是2l世紀最具有前途的科研領域。雖然納米科技主流技術全面進入產業化可能還需要相當長的時間，但是在納米材料等領域已經有一些技術正在進入產業化時代。納米技術的出現解決了機械制造產品加工精度從微米級提高到納米級的問題，因而納米技術在制造業具有廣泛的應用前景。我國是一個制造大國但不是制造強國，研究納米技術的技術原理及其在制造領域的具體應用，對于我國制造業做大休憩強具有重要意義。

一 納米加工技術的提出

(一)納米加工技術的物理解釋

納米是一個幾何計量單位，納米技術是以納米材料為茂盛的。納米材料是指幾何單位在lOOnm以內，具有特殊性能的材料。納米技術是指在100nm以內研究原子、分子結構及相互作用，并加以應用的技術。材料在納米層級會產生新的物理特性，這一特性為人們在現有材料的基礎上可以生產一些新材料。根據基礎材料在納米層級上表現出來的物理特性制造出來的產品叫做納米產品。在納米技術的支持下，機械產品加工方式出現了質的飛躍。與傳統的切削、磨削等加工模式不同，納米加工技術直接以工件表面的原子和分子為對象。從物理學意義上講，納米加工就是改變原子間的結合。這就需要有超乎原子結合能量的能量，因此納米加工主要是利用光子、離子等基本能子的運動所產生的能量進行加工，通過這些能子對加式對象原子結構的撞擊，從原子間尋找縫隙，從而使原子出現分離，達到加工的目的。

(二)工件精度要求推動了納米加工技術的發展

納米技術的顯著效果之一是改變了傳統的機電產品的物理單位，將毫米進化為納米。納米技術應用在機械中，可以大大降低機械的體積，從而可以生產出各種各樣的新型機械。隨著機械制造技術的發展，對機械加工的精度要求越來越高。但是，加工精度的提高通常要依賴于工作母機自身的加工精度。也就是說，工作母機的精度應當高于工件的精度，因為母機在工作過程中會出現誤差。為了保障精度，要求母機在工作過程中必須保持超穩定的工作環境，為此需要采用隔離和平衡等技術措施消除加工過程中的不穩定因素。但是，母機在工作過程中，工藝系統的受力和受熱變形是不可避免的，因而超穩定的工作狀態只是相對的，因而母機的加工精度，根本無法補償其在工作過程中產生的精度損失。因此，納米加工只能另尋出路，采用光、電等基本粒子加工技術取代傳統的機械加工技術。

二 納米加工技術方法

(一)電子束加工技術

電子束加工技術的基本原理是通過對電子進行加速提高其動能，然后借助于電子束的能量對工件進行沖擊，從而使工件表面或內部的原子與原子之間由結合狀態改變為分離狀態，從而完成對工件的加工過程。具體而言，首先對電子進行加速，使其聚焦成很細、能量很大的束流，能夠擊進工件的表面，穿透層表面的原子，然后將動能轉化為熱能，使工件熔化和汽化，從而將其中的部分原子抽走，實現打孔、切割等工藝。

(二)離子束加工技術

離子束加工技術的基本原理是通過對進行離子加速，將離子的動能直接傳遞并轉化為工件原子的動能，使其能量大于原子間結合的能量，使其能夠從工件表面逃逸出去，從而達到加工的目的。

(三)激光束加工技術

激光束加工技術的基本原理是通過對光子的頻率和和波長和調整，使其具務足夠的能量熔化、汽化、去除工件的原子，從而達到加工的目的。

三 納米技術在微機電系統的應用

現代精密生產、航天、醫療等產業的發展引領了微機電系統的發展，例如:人體管道自動檢測裝置所需的微型齒輪、電機、傳感器和控制電路等的制造必須依賴于微型技術，而領域納米技術為微型機械的制造提供提供了強大的技術支撐。

(一)微型軸承

機械在工作過程中，各部件之間的協作主要是借助于軸承來聯動的。但是軸承也存在摩擦，只能靠潤滑來減少摩擦的程度。在微電機系統中，各部件體積微小，減低摩擦力顯得尤為重要。納米技術最顯著的特性之一是其擦性能。美國科學家運用納米技術研制出了幾乎沒有摩擦納米軸承，能夠作為微型裝置的重要元件。這種納米軸承與通常制造的微型機械的軸承相比，摩擦力僅為其最小值的千分之一。

(二)微型電機

美國加利福尼亞大學伯克利分校研制的微型電機，小到只能在顯微鏡下才能看得見的程度。德國汽車零件制造商博士公司正在研制納米技術傳感器，這種傳感器將為人們提供車輛在三維空問中運動的精確信息。當微型傳感器探測到速度驟減時，就會自動釋放安全氣囊。

(三)智能機械

美國密歇根韋思大學醫學院生物分子信息小組，利用BR蛋白質和發光染料分子研制具有電子功能的蛋白質分子集成膜.這是一種新型邏輯元件。美國錫拉丘茲大學也利用BR蛋白質研制模擬人腦聯想能力的中心網絡和聯想式存儲裝置。

四 結束語

制造技術是一個國家國際競爭力的重要標志之一，建立在制造技術基礎之上的制造業一般是一個國家的支柱產業，它的生產總值可以占到一個國家GDP的百分之二十左右。經過持續多年的經濟增長，我國已經成為了制造大國，但遠遠還不是制造強國。回顧世界科技發展的歷史，大約每一百年左右就會出現一次大的科學技術革命。著名科學家錢學森曾經預言:“納米和納米以下結構是下一階段科技發展的一個重點，會是一次革命”。所以，二十一世紀將是以納米為代表，并由納米主導的技術革命。在新的一次產業革命到來之際，為我國制造業帶來了新的挑戰與機遇。我應不失時機地抓住這次機遇，加大科技投入和研發力度，加快科技創新步伐，引領科技潮流，爭取早日使我國由一個制造大國轉變為一個制造強國。

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