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  6762王_ 2017-12-16 14:21:24

  淺談納米技術及其在機械工業(yè)中的應用 摘要：主要介紹了納米技術的內(nèi)涵、主要內(nèi)容及納米技術在微機械和包裝、食品機械工業(yè)中的應用，并研 究預測了納米技術在未來機械工業(yè)中的發(fā)展前景。 關鍵詞：納米技術；微機械；機械工業(yè)；發(fā)展前景 1納米技術的內(nèi)涵 納米是長度單位，原稱“毫微米”，就是 10－9（10億分之一）米。納米科學與技術，有 時簡稱為納米技術，是研究結構尺寸在1~ 100納米范圍內(nèi)材料的性質和應用。納米 科技與眾多學科密切相關，它是一門體現(xiàn) 多學科交叉性質的前沿領域。若以研究對 象或工作性質來區(qū)分，納米科技包括三個 研究領域：納米材料、納米器件、納米尺度 的檢測與表征。其中納米材料是納米科技 的基礎；納米器件的研制水平和應用程度 是人類是否進入納米科技時代的重要標 志；納米尺度的檢測與表征是納米科技研 究必不可少的手段和理論與實驗的重要基 礎。納米科技的Z終目的是以原子、分子為 起點，去設計制造具有特殊功能的產(chǎn)品。 2納米技術的主要內(nèi)容 （1）納米材料包括制備和表征。在納米 尺度下，物質中電子的放性（量子力學學性 質）和原子的相互作用將受到尺度大小的 影響，如能得到納米尺度的結構，就可能控 制材料的基本性質如熔點、磁性、電容甚至 顏色。而不改變物質的化學成份。 （2）納米動力學主要是微機械和微電 機，或總稱為微型電動機械系統(tǒng)（MEMS）， 用于有傳動機械的微型傳感器和執(zhí)行器、 光纖通訊系統(tǒng)，特種電子設備、YL和診斷 儀器等。MEMS使用的是一種類似于集成 電器設計和制造的新工藝。特點是部件很 小，刻蝕的深度往往要求數(shù)十至數(shù)百微米， 而寬度誤差很小。這種工藝還可用于制作 三相電動機，用于超快速離心機或陀螺儀 等。在研究方面還要相應地檢測準原子尺 度的微變形和微摩擦等。雖然它們目前尚 未真正進入納米尺度，但有很大的潛在科 學價值和經(jīng)濟價值。 （3）納米生物學和納米藥物學，如在云 母表面用納米微粒度的膠體金固定DNA 的粒子，在二氧化硅表面的叉指形電極做 生物分子間相互作用的試驗，磷脂和脂肪 酸雙層平面生物膜，DNA的精細結構等。 有了納米技術，還可用自組裝方法在細胞 內(nèi)放入零件或組件使構成新的材料。新的 藥物，即使是微米粒子的細粉，也大約有半 數(shù)不溶于水；但如粒子為納米尺度（即超微 粒子），則可溶于水。 （4）納米電子學包括基于量子效應的 納米電子器件、納米結構的光／電性質、納 米電子材料的表征，以及原子操縱和原子 組裝等。當前電子技術的趨勢要求器件和 系統(tǒng)更小、更快、更冷。“更快”是指響應速 度要快?！案洹笔侵竼蝹€器件的功耗要小。 但是“更小”并非沒有限度。 3納米技術在機械工業(yè)中的應用 3．1納米技術在微機械領域中的應用 隨著納米技術應用途徑的不斷拓寬， 微機械的開發(fā)在全世界方興未艾。例如，進 入人體的YL機械和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。制造這些具有特定功能的納米產(chǎn)品，其 技術路線可分為兩種：一是通過微加工和 固態(tài)技術，不斷將產(chǎn)品微型化；二是以原 子、分子為基本單元，根據(jù)人們的意愿進行 設計和組裝，從而構筑成具有特定功能的 產(chǎn)品。 3．1．1采用微加工技術制造納米機械 （1）微細加工。日本發(fā)那科公司開發(fā)的 能進行車、銑、磨和電火花加工的多功能微 型精密加工車床（FANUCROBO nano Ui 型），可實現(xiàn)5軸控制，數(shù)控系統(tǒng)Z小設定 單位是1nm（10－3μm）。該機床設有編碼器 半閉環(huán)控制，還有激光全息式直線移動的 全閉環(huán)控制。編碼器與電機直聯(lián)，具有每周 6 400萬個脈沖的分辨率，每個脈沖相當于 坐標軸移動0．2 nm，編碼器反饋單位為1／ 3 nm，故跟蹤誤差在±1／3 nm以內(nèi)。直線分 辨率為1 nm，跟蹤誤差在±3 nm以內(nèi)。CNC 裝置采用FANUC－16i，實現(xiàn)AInano輪廓控 制。并用FANUCSERVOMOTORαi伺服電 機裝上高分辨率檢測裝置及αi系列伺服 放大器，實現(xiàn)了微細加工。 （2）微型機器人。在工業(yè)制造領域，微 型機器人可以適應精密微細操作，尤其在 電子元器件的制造方面。美國邁特公司的 研究人員Z近設計出一種用于組裝納米制 造系統(tǒng)的微型機器人，這種機器人的長度 約為5mm。研究人員稱，假設能利用納米 制造技術使這種機器人的體積不斷縮小， 其Z終的體積不會超過灰塵的微粒。日本 三菱公司也開發(fā)了一種微型工業(yè)機器人， 該機器人采用了5節(jié)閉式連桿機構，以實 現(xiàn)手臂的輕量化與高剛性，其動作速度及 精度完全可以趕上專用機器人。往復上下 方向25 mm，水平方向100 mm的拾取動 作，所需時間縮短到0．28 s。另外，通過采 用閉式連桿機構與高剛性減速機，實現(xiàn)了 比以往機器人高10％的位置重復精度 （±5 nm），可適用于精密微細操作。 我國在微型機器人的研制方面也取得 了可喜的成績。據(jù)媒體報道，由哈爾濱工業(yè) 大學研制的機器人，其操作精度達到了納 米級，可以應用于分子生物學基因操作，能 夠對細胞和染色體進行“手術”，并能在微 電子、精密加工等精度要求較高的領域一 顯身手。 （3）微型電機。美國俄亥俄州克利夫西 卡塞大學已建立了一所納米級微型電機實 驗室，專門研究納米技術及其超微機電系統(tǒng)。美國加利福尼亞大學伯克利分校研制 的微型電動機，小到只能在顯微鏡下才能 看得見。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 人們提供關于汽車上每個零部件在三維空 間中運動的精確信息。當微型傳感器探測 到速度驟減時，就會自動釋放安全氣囊。 3．1．2采用自組裝技術制造納米機械 （1）生物器件。以分子自組裝為基礎制 造的生物分子器件是一種完全拋棄以硅半 導體為基礎的電子器件。將一種蛋白質選 作生物芯片，利用蛋白質可制成各種生物 分子器件，如開關器件、邏輯電路、存儲器、 傳感器以及蛋白質集成電路等。美國密歇 根韋思大學醫(yī)學院生物分子信息小組，利 用細菌視紫紅質（簡稱BR蛋白質）和發(fā)光 染料分子研制具有電子功能的蛋白質分子 集成膜，這是一種可使分子周圍的勢場得 到控制的新型邏輯元件。美國錫拉丘茲大 學也利用BR蛋白質研制模擬人腦聯(lián)想能 力的ZX網(wǎng)絡和聯(lián)想式存儲裝置。 （2）納米分子電動機。美國IBM公司 瑞士蘇黎士實驗室與瑞士巴塞爾大學的研 究人員發(fā)現(xiàn)DNA能夠被用來彎曲直徑不 及頭發(fā)絲的五十分之一的硅原子構成的 “懸臂”。上下彎曲，頂端則粘有單股DNA 鏈。DNA自然形成雙螺旋結構，雙鏈被分 開后，它們會力圖重新組合。當研究人員將 帶有單股DNA鏈的“懸臂”置于含有與之 對應的單股DNA鏈的溶液中，這兩個鏈就 會自動配對結合在一起，小“懸臂”在這種 力的作用下開始彎曲。研究人員利用這種 生物力學技術制造帶有納米級閥門的微型 膠囊（納米分子電動機）。通過控制這種驅 動力來控制閥門的開合，可以將精確劑量 的藥物傳送到身體的需要部位來達到ZL 的目的。 3．2納米技術在包裝機械領域中的應用 采用納米材科技術對包裝機關鍵零部 件（如軸承、齒輪、彈簧等）進行金屬表面納 米粉涂層處理，可以提高設備的耐磨性、硬 度和壽命。 碳納米管還具有較高的機械強度和較 高的熱導率。由于具有非常大的長度—直 徑比，可以制造出任何復雜形狀的零件，是 復合材料理想的增強纖維。目前，用價格低 廉的納米塑料制成的齒輪、陶瓷軸承、納米 陶瓷蚊輥、電雕輥等印刷包裝機械零件已 走進企業(yè)，開始代替金屬材料?，F(xiàn)代膠印機 上應用著很多傳感器．如控制飛達紙堆的 自動升降、氣泵供氣時間檢測、合壓時間檢 測、空張檢測、墨量控制等。 納米陶瓷具有良好的耐磨性、較高的 強度及較強的韌性可用于制造刀具、包裝 和食品機械的密封環(huán)、軸承等以提高其耐 磨性和耐蝕性，也可用于制作輸送機械和 沸騰干燥床關健部件的表面涂層。 3．3納米技術在食品機械領域中的應用 納米SiC、Si 3 N4在較寬的波長范圍內(nèi) 對紅外線有較強的吸收作用，可用作紅外 吸波和透波材料，做成功能性薄膜或纖維。 納米Si 3 N4非晶塊具有從黃光到近紅外光 的選擇性吸收，也可用于特殊窗口材料，以 納米SiO 2 做成的光纖對600 nm以上波長 光的傳輸損耗小于10 dB／km，以納米SiO 2 和納米TiO 2 制成的微米級厚的多層干涉 膜，透光性好而反射紅外線能力強，與傳統(tǒng) 的鹵素燈相比，可節(jié)省15％的電能。 經(jīng)研究證明，將30～40 nm的TiO 2 分 散到樹脂中制成薄膜，成為對400 nm波長 以下的光有強烈吸收能力的紫外線吸收材 料，可作為食品殺菌袋和保鮮袋Z佳原料。 納米SiO 2 光催化降解有機物水處理 技術無二次污染，除凈度高，其優(yōu)點是：① 具有很大的比表面積，可將有機物Z大限 度地吸附在其表面；②具有更強的紫外線 吸收能力，因而具有更強的光催化降解能 力，可快速將吸附在其表面的有機物分解 掉。這為污水處理量較大的食品企業(yè)提供 了有力的技術支持。 介孔固體和介孔復合體是近年來納米 材料科學領域較引人注目的研究對象，由 于這種材料較高的孔隙率（孔洞尺寸為2～ 50 nm）和較高的比表面，因而在吸附、過濾 和催化等方面有良好的應用前景。對純凈 水、軟飲料等膜過濾和殺菌設備又提供了 一個廣闊的發(fā)展空間。 橡膠和塑料是包裝和食品機械應用較 多的原材料。但通常的橡膠是靠加入炭黑 來提高其強度、耐磨性和抗老化性，制品為 黑色，不適宜用在食品機械上。納米材料的 問世使這一問題迎刃而解。新的納米改性 橡膠各項指標均有大幅度提高，尤其抗老 化性能提高3倍，使用壽命長達30年以 上，且色彩艷麗，保色效果優(yōu)異。普通塑料 產(chǎn)量大、應用廣、價格低，但性能遜于工程 塑料，而工程塑料雖性能優(yōu)越，但價格高， 限制了它在包裝和食品機械上的大范圍應 用。用納米材料對普通塑料聚丙烯進行改 性，達到工程塑料尼龍－6的性能指標，且 工藝性能好、成本低，可大量采用。 4納米技術在機械行業(yè)中的發(fā)展 前景 （1）機械及汽車工業(yè)的滑配原件如：軸 承、滑軌上應用納米陶瓷鍍膜能產(chǎn)生超底 的磨擦界面，大大減低磨損并能提高負載。 （2）塑膠流道的低粘應用：例如T型 模、拉絲模、套筒和熱膠道，可有效減少積 料碳化的產(chǎn)生幾率。 （3）射出成型時發(fā)生的粘模、包封短 射、鏡面霧化及拖痕均具有革命性的改善， 尤其是在滑塊及頂針上所展現(xiàn)的干式潤 滑，更是任何金屬所無法表現(xiàn)的優(yōu)異性。 （4）IC封裝膠、橡膠及發(fā)泡塑料由于 具有極高的粘著性，因此必須借助大量脫 模劑來幫助脫模，納米陶瓷的荷葉效應可 減少脫模劑的使用及模具清理時間。 （5）納米陶瓷的低摩擦、低沾粘特性使 塑膠在模具內(nèi)的流動性大幅提升，特別是 高精度模具例如薄光板、塑膠鏡片、汽車聚 光燈罩等模具應用后對產(chǎn)品的不良率上均 有明顯的改善。 5結語 綜上所述，納米技術是近十多年來逐 步發(fā)展起來的一門前沿性與綜合叉的 新學科，是現(xiàn)代科學和現(xiàn)代技術相結合的 產(chǎn)物，它的迅猛發(fā)展將引發(fā)21世紀新的工 業(yè)革命。美國商業(yè)通訊公司研究報告稱，未 來五年，用于橡膠產(chǎn)品和油墨生產(chǎn)的碳黑 填充料將繼續(xù)高居納米材料需求榜首。今 后幾年，納米材料的需求將以2．7％年 增長速度增長，到2010年將達到1 030萬 t，所以納米包裝具有較大的市場發(fā)展?jié)?力。過去，我國機械包裝工業(yè)的一些先進設 備、先進技術，大多是依靠進口。納米技術 的出現(xiàn)，將對我國機械包裝行業(yè)的技術創(chuàng) 新帶來新的發(fā)展機遇。相信在不遠的將來， 納米技術將廣泛應用于機械工業(yè)的各個領 域，它給機械工業(yè)帶來的變化將是巨大的。 參考文獻 1向春禮．納米科技及其發(fā)展前景［J］．新材料 產(chǎn)業(yè)，2001（4） 2王新林．金屬功能材料的幾個Z新發(fā)展動向 ［J］．新材料產(chǎn)業(yè)，2001（4） 3唐蘇亞．納米技術在微機械領域中的應用 ［J］．微電機，2002（5） 4萬乃建．21世紀數(shù)控技術新面貌［J］．機械制 造，2001（20） 5楊大智．智能材料與智能系統(tǒng)［M］．天津：天津 大學出版社，2000

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