纳米制造及其关键性技术

纳米制造及其关键技术简介

——机械制造技术基础专题研究与讨论

摘要纳米制造是多学科的新型交叉研究领域，对其基础研究的深入展开可为前沿制造技术的进步提供有力支撑。在过去的20 多年里，基于纳米制造的探索已展示出宽广的发展前景，并将在多个行业为社会带来巨大的经济效益。纳米制造可分为机械加工、化学腐蚀、能量束加工、复合加工、隧道扫描显微技术加工等多种方法。本文在简要介绍纳米制造背景、应用的同时，着重介绍纳米制造技术的加工技术。

关键词：纳米制造纳米机械加工能量束加工隧道式近场放电加工

1. 综述

纳米科学技术是目前发展迅速、最富有活力的科学技术领域，受到世界各国的高度重视。纳米科学与技术集合交叉了多学科内容，是一个融前沿探索、高技术、工程应用于一体的科学技术体系。纳米科技在纳米尺寸范围内认识和改造自然，开辟了人类认识世界的新层次，使人们改造自然的能力直接延伸到分子、原子尺度水平，这标志着人类的科学技术进入了一个新时代。许多专家认为，以纳米科学为中心的科学技术将成为21世纪的主导。

纳米科技包括有：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米制造学等等。其中纳米制造学占有重要地位。纳米科学技术在不同的科学领域有具体的内涵和表现，纳米制造科学技术主要涉及到纳米量级（0.1~100nm）的几何加工精度、形位加工精度和表面粗糙度。

纳米制造任务不是由某一项技术独自完成的，而是由许多方法和技术所共同承担。这些方法相辅相成，各具所长，构成了纳米制造技术群，承担着丰富多样的纳米制造任务。

从实现纳米微结构的方式和途径来看，构成纳米制造技术体系的方法可以分作为两类：一种是通过原子、分子的移动、搬迁、重组来构成纳米尺度的微结构，即所谓的自下而上(Bottom—up)的方法，基于扫描隧道显微镜STM的原子搬移方法属于此类；另一类方法是将大的原材料加工变小，逐步形成所需要的纳米结构或器件，这种通常所见的方式可称为自上而下(Top—down)的方式，束流、超精加工等许多方法都属于这一类。另一方面，纳米制造技术也可以按在制造过程中材料的增减方式进行分类：减材过程(微蚀除、切削加工、电加工、激光加工等)、增材过程(微沉积、ILGA精密电铸)。

纳米制造有着重要的工业前景，是许多技术领域发生重大发展的基础和支撑技术。纳米制造科学技术领域还存在许多未知，需要人们去探索、了解、掌握、发明和创造。纳米制造的新概念、新技术、新工艺将不断出现，在生产实际中的应用会愈来愈深入和广泛。

2. 纳米技术与纳米制造

纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构

尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物。

图1 利用纳米技术将氙原子排成IBM图2 应用纳米技术制成的服装

纳米制造是描述对纳米尺度的粉末、液体等材料的规模化的生产，或者描述从纳米尺度按照自上而下或自下而上的方式制造器件，是纳米技术的一项具体的应用。

“纳米制造”尽管被美国国家纳米技术倡议（NNI）等广泛使用，但并没有给出纳米制造的明确定义。相反，纳米组装则被定义为：通过直接或者自组装方法，在原子或分子水平上制造功能结构或者设备的能力。相对于纳米组装而言，纳米制造更偏重于纳米技术产品的工业级别制造，其重点更多的在于低成本和可靠性等方面。

3. 纳米制造技术的制造对象

广义地说，只要尺寸至少在一维尺度上小于100nm结构都是纳米技术的制造对象。

具体言之，该结构应满足以下几点要求：

(1)它是一种符合物理和化学定律的结构，这些定律是在原子水平级上的。

(2)它是一种生产价格不超过所需原材料和能源成本的结构。

(3)它能定位装配和自我复制。定位装配就是在适当地方放上适当的分子零件；自我复制能始终保持价格低廉。

纳米技术发展的不同时期，纳米制造对象的内涵也不同。例如，1990年以前，主要集中在纳米颗粒(纳米晶、纳米相、纳米非晶等)以及由它们组成的薄膜与块体的制备；而1990年到1994年间主要是制备纳米复合材料，一般采用纳米微粒与微粒复合、纳米微粒与常规块体复合、以及发展复合纳米薄膜；1994年以后，纳米制造的对象开始涉及纳米丝、纳米管、微孔和介孔材料；未来的方向则是制作仅由一个或数个原子构成的“纳米结构”，并以此来构筑具有三维纳米结构的系统。

4. 纳米制造的加工技术

按加工方式，纳米级加工可分为切削加工、磨料加工（分固结磨料和游离磨料）、特种加工和复合加工四类。

纳米级加工还可分为传统加工、非传统加工和复合加工。传统加工是指刀具切削加工、固有磨料和游离磨料加工；非传统加工是指利用各种能量对材料进行加工和处理；

复合加工是采用多种加工方法的复合作用。

纳米级加工技术也可以分为机械加工、化学腐蚀、能量束加工、复合加工、隧道扫描显微技术加工等多种方法。机械加工方法有单晶金刚石刀具的超精密切削，金刚石砂轮和CBN砂轮的超精密磨削和镜面磨削、磨、砂带抛光等固定磨料工具的加工，研磨、抛光等自由磨料的加工等，能束加工可以对被加工对象进行去除，添加和表面改性等工艺，例如，用激光进行切割、钻孔和表面硬化改性处理。用电子束进行光刻、焊接、微米级和纳米级钻孔、切削加工，离子和等离子体刻蚀等。属于能量束的加工方法还包括电火花加工、电化学加工、电解射流加工、分子束外延等。STM加工是最新技术，可以进行原子级操作和原子去除、增添和搬迁等。

4.1 纳米机械加工

纳米机械加工技术具有原理简单、应用广泛的特点，是一种重要的由上而下的纳米加工技术。典型的纳米机械加工技术包括金刚石刀具车削、金刚石磨粒加工以及金刚石微探针纳米刻划。上个世纪80年代，日本大阪大学和美国劳伦斯实验室开展了超精密切削加工极限的实验研究，使用单点金刚石刀具直角车削电镀铜，实现了切削厚度为1nm 的稳定切削。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所采用弹性顶针式光栅刻划刀刀架和圆弧形刀刃光栅刻划刀，加工出了刻线密度为1001/mm的10.6Lm激光系统用30 m曲率半径凹面金属光栅。

图3 纳米刃口刀具的制备图4 基于所制备的刀具制造的菲涅耳衍射元件

4.2微细电解加工

电解加工是利用金属阳极电化学溶解原理来去除材料的加工技术，这种加工原理使得电解加工具有微细加工的可能。如图5所示，电解加工系统由阴极、阳极、电源、电解液及电解槽等部分组成。通过降低加工电压、提高脉冲频率和电解液浓度, 可将加工间隙控制在10μm以下。