浅谈纳米技术在机械领域中的应用
戚景勇
暖通121  201236630125
摘要：本文主要介绍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；纳米技术在微型机械和微型电机系统的应用。
关键词：纳米技术  微型机械  微型电机  纳米材料  机械
引言：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，从而具有传统材料不具有的物理、化学特性。纳米材料的这些特性使它的应用领域十分广阔，比如它的力学性能和电学性能可使它成为高强度、超硬、高韧性、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等一些其它方面的性能。正因为它所具有这些特殊性能使它在机械中的应用前景十分广阔。
一、纳米技术与微型机械：相对于传统机械而言、微型机械具有体积和质量小、能耗低、集成度和智能化程度高等特点。应当强调的是,微型机械并不是传统机械的简单微型化,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,并作为整个纳米技术的重要组成部分,在一种崭新的思维方法指导下的产物。微型机械在尺度、结构、材料、制造方法和工作原理等方面,都与传统机械截然不同,因而微型机械学的学科基础、研究内容和研究手段等,也与传统机械学不同,而具有独特的学科系统,构成一门崭新的学科。
20世纪90年代初兴起的纳米技术,被认为是21世纪科技发展的前沿,它指的是加工精度或尺寸为0.1~100nm量级的制造技术的总称。纳米技术是现代物理和先进技术相结合的产物,是包含材料、加工、测量和控制等技术在内的统一体。纳米技术的产生和发展，为微型机械的研究提供了坚实的基础。
根据微型机械的发展情况，当前纳米技术在微型机械中的应用研究主要包括以下内容：研究机械中运动变换和动力传递以及运动过程中动态特性的纳米机构学；研究微型机械及其构件加工制造技术的纳米加工技术；研究适用于制造微型构件和性能的特殊材料，及其在环境影响下的变形和失效规律的纳米材料科学；从原子、分子尺度出发、研究相互运动接触界面上的作用，变化与损伤的纳米摩擦学等。以下作一些介绍：
1、微型机械  现在微型机械的研究已经达到较高水平，已能制造多种微型零件和微型机构。已经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、微细加工  日本发那科公司开发的能进行车、铣、磨和电火花加工的多功能微型精密加工车床（FANUCROBO nano Ui型），可实现5轴控制，数控系统最小设定单位是1nm（10-3μm）。该机床设有编码器半闭环控制，还有激光全息式直线移动的全闭环控制。编码器与电机直联，具有每周6 400万个脉冲的分辨率，每个脉冲相当于坐标轴移动0．2nm，编码器反馈单位为1／3nm，故跟踪误差在±1／3nm以内。直线分辨率为1nm，跟踪误差在±3nm以内。CNC装置采用FANUC－16i，实现AInano轮廓控制。并用FANUCSERVOMOTORαi伺服电机装上高分辨率检测装置及αi系列伺服放大器，实现了微细加工。
3、微型机器人  在工业制造领域，微型机器人可以适应精密微细操作，尤其在电子元器件的制造方面。美国迈特公司的研究人员最近设计出一种用于组装纳米制造系统的微型机器人，这种机器人的长度约为5mm。研究人员称，假设能利用纳米制造技术使这种机器人的体积不断缩小，其最终的体积不会超过灰尘的微粒。日本三菱公司也开发了一种微型工业机器人，
该机器人采用了5节闭式连杆机构，实现手臂的轻量化与高刚性，其动作速度及精度完全可以赶上专用机器人。往复上下方向25mm，水平方向100mm的拾取动作，所需时间缩短到0．28s。另外，通过采用闭式连杆机构与高刚性减速机，实现了比以往机器人高10％的位置重复精度（±5nm），可适用于精密微细操作。我国在微型机器人的研制方面也取得了可喜的成绩。据媒体报道，由哈尔滨工业大学研制的这种机器人，其操作精度达到了纳米级，可以应用于分子生物学基因操作，能够对细胞和染体进行“手术”，并能在微电子、精密加工等精度要求较高的领域一显身手。此外，天津大学在国家863高技术计划的支持下，也研制成功了微型操作机器人，可以用于对微米级的细胞、胚胎、染体实施操作。中国农业科学院已利用这种机器人成功实行了对植物细胞染体的切割操作，一些医学科研部门正在利用它进行转基因实验。
4、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、质量轻、精度高、工作可靠。因此是微型机电系统的理想领域。现在国外已经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。但上需要提高精度。
5、微型电机  美国俄亥俄州克利夫西卡塞大学已建立了一所纳米级微型电机实验室，专门研
究纳米技术及其超微机电系统。美国加利福尼亚大学伯克利分校研制的微型电动机，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关于汽车上每个车辆在三维空间中运动的精确信息。当微型传感器探测到速度骤减时，就会自动释放安全气囊。
6、纳米分子电动机  美国IBM公司瑞士苏黎士实验室与瑞士巴塞尔大学的研究人员发现DNA能够被用来弯曲直径不及头发丝的五十分之一的硅原子构成的“悬臂”。上下弯曲，顶端则粘有单股DNA链。DNA自然形成双螺旋结构，双链被分开后，它们会力图重新组合。当研究人员将带有单股DNA链的“悬臂”置于含有与之对应的单股DNA链的溶液中，这两个链就会自动配对结合在一起，小“悬臂”在这种力的作用下开始弯曲。研究人员利用这种生物力学技术制造带有纳米级阀门的微型胶囊（纳米分子电动机）。通过控制这种驱动力来控制阀门的开合，可以将精确剂量的药物传送到身体的需要部位来达到的目的。
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，他在微型机械加工中的应用也越来越受关注。从总体上来讲，微型机械纳米加工技术主要包括微加工技术，控制、通讯及能源制作技术，微装配技术等。
微型机械,作为跨世纪的新型机械已经引起了世界各国的广泛重视。纳米技术的兴起和迅速发展,使微型机械的研制与应用成为可能。纳米技术与微型机械被称作是21世纪的核心技术。现如今美国、日本、德国、法国、瑞典、荷兰和瑞士等国家都在积极开展这方面的研究与开发,我国对纳米技术与微型机械的研制也极为重视,并取得了一定的成果。
二、 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1nm，是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，你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、AlO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O形圈，从而达到密封的目的。
4. 纳米材料在zno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件功能陶瓷材料——zno阀片中，以大幅度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  纳米复合氧化钴是目前最成功应用在工业上的纳米材料之一。纳米复合钴系列材料，显著提高了材料的那高温性能和导氧和储氧功能，被广泛应用在欧美市场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，该产品只有传统马达体积的二十分之一，长度比火柴杆还短，却能负载4kg,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。该成果在我国驻港部队的车辆和西部汽车集合赛上的到证实。
8. 纳米润滑剂  润滑是降低摩擦、减小或避免磨损的最有效技术。如果纳米材料作为润滑剂，有关部件就不需要频繁替换，交通工具使用寿命会更长。
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，我们仍有很多方面有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；能否用某种标准来预测微区尺寸减少到多大时，材料才能表现出特殊的性能等等。对于这些问题，我们仍需要深入研究，以便纳米技术更好地服务于机械工程领域。
参考文献： 
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