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1、纳米技术在机械制造中的应用摘 要： 本文介绍纳米技术的兴起；纳米材料的特性；纳米技术在机械工程中的运用；与传统机械工程相比，纳米技术带来的优势；纳米加工的关键技术及其在微型机械和微型机电系统的应用。关键词： 纳米技术；纳米材料；机械；纳米加工；微型机械1.纳米技术的兴起自从1990年7月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议上，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支开始，纳米技术便一步一步进入人们的生活。纳米科技是研究由尺寸在01100nm之间的物质组成的体系运动规律和相互作用，以及实际应用中的技术问题的科学技术。从材料的结构层次来说，它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。纳米技术不是
2、一门单一的新型学科或者技术，它广泛应用于各类学科中，其中在机械工程中的应用对于机械工程学科的技术变革起到了不可估量的作用。纳米技术运用到机械方面尤其是产生了微型机械技术已经成为21世纪研究的核心技术，很多国家在纳米技术上开始了越来越多的研究，在机械工程方面对于纳米技术的应用也越来越多。2.纳米材料的特性纳米材料因其特殊的结构，产生出四大效应：小尺寸效应、量子效应(宏观量子隧道效应)、表面效应和界面效应，从而具有传统材料所不具备的物理、化学特性。纳米材料的这些特性使它的应用领域十分广阔，圆259它既能改良传统材料，又能源源不断地产生出新的材料，比如它的力学性能和电学性能可使它成为高强度、超硬、高
3、韧性、超塑性材料以及绝缘材料、电极材料和超导材料等；它的热学性能使它成为低温烧结材料、热交换材料和耐热材料等；它的磁学性能使它可用于永磁、磁流体、磁记录、磁存储、磁探测器、吸收、磁制冷材料等；它的光学性能又使它可用于光反射、光通讯、光存储、光开关、光过滤、光折射、红外传感器等；它的燃料性能使它又可用于火箭燃料添加剂、阻燃剂等。3.纳米技术在机械中的应用(1) 无摩擦的微型纳米轴承 美国科学家研制出一种几乎没有摩擦且直径仅为一根头发的万分之一的微型纳米轴承。这种纳米轴承在运动时几乎没有磨损和撕裂，能够作为微型装置的重要元件。微型机械的尺寸相当于一根头发的直径，而纳米机电系统的尺寸仅为1 nm，是
4、微型机械的千分之一。如纳米管的厚度为几纳米，长度为几千纳米。在微型机电系统中摩擦是一个大问题，但这种纳米轴承却几乎没有摩擦，与通常的以硅或氮化硅制造的微型机械装置的最小摩擦极限相比，纳米轴承的摩擦仅为其千分之一。(2) 纳米新型金属陶瓷刀具 合肥工业大学材料学院承担的国家科技攻关地方重大项目纳米TiN、AlN改性的Tic基金属陶瓷刀具制作技术已通过鉴定，这标志着一种利用纳米材料制作的新型金属陶瓷刀具问世。(3) 纳米磁性液体密封 超细粉碎机械气流磨进行超细粉生产因为污染少、效率高，因而是加工生产sic、Al：0，等高硬度物料超细粉体的理想手段。目前工业发达国家较多采用磁性液体密封，磁性液体是一
5、种同时具有磁性和流动性的新型材料(普通材料不能同时具有这两种性能，例如铁熔化后的铁水就没有磁性)。这样使用时可以用磁场将磁性液体固定在密封处形成一个磁液0形圈，从而达到密封的目的。(4) 纳米材料在zn0阀片上的应用 由上海电瓷厂、中科院上海硅酸盐研究所合作研究的将纳米材料应用到元机功能陶瓷材料zn0阀片中，以大幅度地提高阀片的侧面绝缘强度，从而提高阀片大电流耐受水平。(5) 纳米发动机材料 纳米复合氧化锆是目前最成功应用在工业上的纳米材料之一。纳米复合锆系列材料，显著提高了材料的耐高温性能和导氧及储氧功能，被广泛应用在欧美市场上最新汽车发动机及尾气排放控制系统中。(6) 纳米技术马达 由美国
6、NANoMuscLE公司生产的一种采用了纳米技术的微型马达在深圳面世，该产品只有传统电磁马达体积的120，长度比火柴杆还短，却能负载4 kg，寿命可达100万次，主要用于玩具和汽车的电动车窗。(7) 纳米燃油装置 2004年7月，我国专家成功研制出具有世界先进水平的EPs纳米燃油装置。实践证明，纳米燃油能实现充分燃烧。该成果在我驻港部队的车辆和西部汽车集结赛上得到证实。(8) 纳米润滑荆 润滑是降低摩擦、减小或避免磨损的最有效技术。如果用纳米材料作为润滑剂，有关部件就不需频繁替换，交通工具使用寿命会更长。4.纳米技术的优势相对于传统机械工程来说，也正是因为纳米技术有很多优势才能取得这样显著的成
7、果。第一，纳米技术的尺寸效应。纳米技术的主要效果之一便是缩小了传统尺寸的单位，将毫米进化为纳米，一纳米相当于十亿分之一米。纳米技术应用在机械中，可以大大降低机械的体积，从而形成了新型机械微型机械。这种不是传统机械单纯地在尺度上微小型化，而通常是指可以成批制作的集合微机构、微驱动器、微能源以及微传感器和控制电路、信号处理装置等于一体的微型机电系统。他们大部分都是运用纳米技术的成果，因而它远远超出了传统机械的概念和范畴，而是基于现代科学技术，并作为整个纳米科技重要组成部分和用一种崭新的思维方式与技术路线指导下的产物。第二，纳米技术使材料多元化，应用多元化。纳米技术是原材料形成更微小的形态，功能也更
8、加强大，不仅能改良传统材料，又能源源不断地产生出新的材料。磁性液体密封技术便是证明，利用磁性液体可以被磁场控制的特性，将纳米单位的液体置于磁场之内，从而达到密封的效果。同时在材料运用中可将微量的元素融入到基础材料中，达到更好的效果。纳米复合氧化锆是成功应用在工业上的纳米材料，这种材料提高了材料的耐高温性能和导氧及储氧功能，因此广泛运用于汽车发动机系统中。第三，纳米材料摩擦性能。纳米技术最显著的特性就是其擦性能，在机械中，各种轴承等都存在着摩擦，但是纳米材料的出现，使得各类机械结构尺寸便小，同时对于过小的零件，摩擦力便显的尤为重要，摩擦力如果相对较大，则零件便会造成磨损。但是纳米技术也同样克服了
9、这一问题，现已出现纳米材料几乎无摩擦的状态。美国科学家研制的这种微型纳米轴承可在运动是无磨损和撕裂，达到了理想的效果。第四，纳米技术节能效果。纳米技术实现了“小材大用”，带来的又一优势便是节能和环保。在纳米技术的应用中，产生了很多新型材料，它们减少了很多不必要的消耗，使得传统的机械工程中需要的大量材料迅速降低，对于原材料的节约起到了惊人的效果。德国不莱梅应用物理所已研制成功并且申请了一项专利，即用纳米Ag代替微米Ag制成导电胶，可节省Ag粉50，用这种导电胶焊接金属和陶瓷，涂层不需太厚，而且涂层表面平整，效果理想。5. 纳米加工技术与微型机械纳米加工技术的出现使微型机电系统进入了一个广阔的崭新
10、领域。集成的微型机电系统日本称为微型机械(Micromacnine)。美国则称为微型机电系统(MicroElectro Mechanical Systems-MEMS)，欧洲称为微系统(Microsystem)。(1)微型机械现在微型机械的研究已达到较高水平，已能制造多种微型零件和微型机构。已研制成功的三维微型机械构件有微齿轮、微弹簧、微连杆、微轴承等微执行器是比较复杂、难度大的微型器件。研制成功的有微阀、微泵、微开关、微电动机等。(2)微型机电系统MEMS是在微电子工艺基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。是纳米加工技术走向实用化。能产生经济效益的主要领域。比如：1）微型机器人是一个非常
11、复杂的机电系统。美国正在研制的无人驾驶飞机仅有蜻蜓大小。并计划进一步缩小成蚊子机器人。用于收集情报和窃听。医用超微型机器人是最有发展前途的应用领域。它可进入人的血管。从主动脉管壁上刮去堆积的脂肪，疏通患脑血栓病人阻塞的血管日本制定了采用机器人外科医生的计划。并正在开发能在人体血管中穿行、用于发现并杀死癌细胞的超微型机器人2）微型惯性仪表：惯性仪表是航空、航天、航海中指示方向的导航仪器，由于要求体积小、重量轻、精度高、工作可靠因此是微型机电系统应用的理想领域现在国外已有微型加速度几何微型陀螺仪的商品生产。体积和重量都很小。但尚需提高精度。由于MEMS韵发展已初具基础。微型器件的发展也已达到一定水
12、平，同时有微电子工业制造集成电路的经验可借鉴，各产业部门又有使用MEMS的要求。因此现在MEMS的发展条件已具备。随着现代机械制造技术发展的日新月异，纳米加工技术所包含的内容越来越丰富，它在微型机械加工中的应用也越来越受到关注。从总体上来讲，微型机械的纳米加工技术主要包括以下几个方面：a ）微加工技术：微加工技术需在洁净的环境下进行，其中关键是刻蚀技术。一般选用光刻，即将微型机械零件材料硅基板经光照射成形，生成零件几何外形，再后续加工；b ）控制、通讯及能源制作技术：这一技术把微型传感器，驱动器和控制器等有机地集中协调起来，用于微型机械的控制、通讯并向其提供能源等；c ）微装配技术：即把微型机
13、械所需的微型机构、微型传感器、微型执行机构及信号处理、控制电器以及通讯和电源等有机地结合起来，使之成为能完成一定功能的机电一体化产品。7.结束语纳米材料在机械工程中改变甚至颠覆了传统模式的运转，显示了其强大的科技含量，但是在其运用中，我们仍有很多方面亟待解决如何准确表征纳米材料的各种精细结构；怎样从结构上分析、解释纳米材料的新特性；能否利用某种标准来预测微区尺寸减少到多大时，材料表现出特殊的性能等等。对于这些问题，我们仍需深入研究，以便纳米技术更好地服务于机械工程领域。参 考 文 献1) 苑国良 纳米技术在机械中的应用 期刊论文-机械制造 2005（43）2) 闫超 纳米技术在机械工程中的应用
14、浅谈 期刊论文-价值工程 2010（29）3) 敖小宝，游誉林 纳米技术在微型机械中的应用 期刊论文-机械制造及自动化 2005（34）4) 王祥 纳米技术在制导、导航和控制领域应用的前景分析 期刊论文-国际太空 2004（4）5) 李振波，李疆，刘北英 基于单片机的数字微加速度计静态测试平台设计 期刊论文-传感器与微系统 2009（2）6) 陈建农，方永耕 水轮机及辅助设备运行及维修 河海大学出版社 19917) 张兰娣，温秀梅 纳米加工技术及其应用 期刊论文-河北建筑工程学院学报 2003（21）8) 吴拓 开发机械制造的新领域 期刊论文-西江大学学报 2000（2）9) 袁哲俊，谢大刚 纳米技术的最新发展 期刊论文-2000（5）10) 蔡敢为，王文龙，刘平，朱从云 为机械动力学研究 期刊论文-湘潭矿业学院学报 2002（17）11) 杨元华，陈时锦，程凯 微结构光学元件的应用与制造 期刊论文-纳米技术与精密工程 2005（3）
