第十一章纳米技术与微型机械.docx

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1、第十一章 纳米技术与微型机械本 章 导 读纳米技术是20世纪90年代开始兴起的一门新兴学科，也是21世纪最具前景的技术。纳米技术将成为21世纪的主导技术。纳米技术的出现，标志着人类能够从微米层次深入到分子、原子级的纳米层次，按照人类的意愿操纵单个分子和原子，实现对微观世界的有效控制。微型机械系统是纳米技术在机械电子领域的一个重要分支。本章介绍纳米技术的基本概念、纳米材料的奇异性能、21世纪纳米材料的最新成就和纳米技术的地位；微型机械的发展现状及应用前景。 第一节 纳米技术的概念纳米技术是20世纪90年代开始兴起的一门新兴技术，它的出现，标志着人类能够从微米层次深入到分子、原子级的纳米层次，按照

2、人类的意愿操纵单个分子和原子，实现对微观世界的有效控制。纳米技术的兴起将带来一场革命，未来世界将因为纳米技术发生翻天覆地的变化。一、纳米与纳米技术 1、什么是纳米？纳米是个音译词，英文为“nanometer”。其本身仅为一个长度单位，即1米的十亿分之一（1纳米米）。就像毫米、微米一样，纳米只是一个尺度概念，本身并没有物理内涵。1纳米大约是10个氢原子紧密排列的长度，比头发的宽度要小8万倍。 2、什么是纳米技术？纳米技术是20世纪90年代开始兴起的新技术，其基本含义是在纳米尺寸（1100纳米）范围内认识和改造自然，通过直接操纵和安排分子、原子而达到创新的目的。从严格意义上来说，“纳米技术”翻译为

3、“纳技术”更为准确，它意味着在分子水平对物体加以控制。表现在长度上是在纳米水平，时间上在纳秒水平，在质量上是在纳克水平。“纳米技术”虽然只强调了长度概念，但也包括时间、质量等方面概念。纳米技术的内涵非常广泛，它包括纳米材料的制造技术、纳米材料向各个领域应用的技术、在纳米空间构造一个器件实现对分子、原子的操作以及在纳米微区内对物质传输和能量传输新规律的认识等等。当物质小到纳米尺度时，传统的力学就无法描述它的行为，要用量子力学来描述。人们发现，在1100纳米的空间尺度内，物质存在许多奇异的性质。由于这一层次介于微观和宏观之间，科学家就把这一尺度范围称为“介观”。纳米是人类加工精度的顶尖尺度，纳米技

4、术是人类制造技术的终极技术，它对人类的意义甚至要远大于登上月球。之所以把纳米技术称之为人类制造技术的最终技术，是因为分子和原子是保持物质性能的最基本的单元。通过安排分子与原子的制造技术，将使创造新事物的可能性变得无穷无尽。3、纳米科技的构成纳米科技是由一系列既相互关联、又相互独立的学科组成的学科群体，就好比一座大厦，这座大厦主要包括以下部分：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；纳米加工学；纳米力学；纳米测量学。这8个学科共同构成了纳米科技大厦。图111 纳米科技大厦示意图纳米电子学、纳米加工学和纳米生物学就是这座大厦金壁辉煌的屋顶，它们是衡量一个国家纳米科技发展水平的

5、标志。纳米材料学和纳米测量学是这座大厦的两个重要的支柱，它们的发展水平直接关系到纳米技术各个领域的发展。纳米体系物理学、纳米化学和纳米力学是这座大厦的基础，纳米材料学和纳米材测量学的发展离不开这三门基础学科的发展。这8门学科互相依赖、互相促进、共同发展。纳米科学所研究的领域是人类过去从未涉及的、介于微观和宏观之间的“介观”领域，从而开辟了人类认识世界的新层次，也使人们改造自然的能力直接延伸到分子、原子水平。这标志着人类的科学技术即将进入一个新时代，即纳米科技时代。以纳米科技为中心的新科技革命必将成为21世纪的主导。二、纳米材料1、什么是纳米材料？当物质小到纳米尺度（1100纳米）以后，物质的性

6、能就会发生突变，表现出不同于常规材料的特殊性能。这种具有特殊性能构成的材料，即为纳米材料。由此可见，纳米材料必须具备两个特点：一是构成纳米材料的基本单元的三维尺度中至少有一维处于纳米尺度范围；二是纳米材料具有不同于常规材料的特殊性能。只有同时具备这两个特点，这种材料才能被称为纳米材料。也就是说，仅仅是尺度达到纳米而没有特殊性能的材料，不是纳米材料。纳米材料并不是指具体由哪一种物质构成的材料，它代表了一类材料。过去，人们只注意分子、原子，或者宇宙空间，常常忽略了这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前人们没有认识到这个尺度范围的性能。第一个发现它的性能并引用纳米概念的科学家是日本

7、科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法做了超微离子，并通过研究发现：通常导电、导热的铜、银导体做成纳米尺寸后，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，如铁钴合金，如果把它作成大约2030纳米大小，磁畴就变成单磁畴，磁性比原来高1000倍。2、纳米材料的分类按照空间结构的维数来分，纳米材料可以分成三类：零维纳米材料、一维纳米材料和二维纳米材料。零维纳米材料是指由空间三维尺度均在纳米尺度的纳米颗粒、原子团簇组成的纳米粉体。这类纳米材料可用于高韧性的陶瓷、高效催化剂、隐形飞机的吸波材料、高密度磁性记录材料、抗菌材料、微电子封装材料、太阳能电池材料、传感材料、药物等等。一维纳米材料是指在空间有两维

8、处于纳米尺度的纳米丝、纳米棒、纳米管等。这类纳米材料可作为高强度材料、微型导线、电子探针、微型光纤、储氢材料之用等等。二维纳米材料是指在三维空间中只有一维在纳米尺度的超薄膜、多层膜、超晶格等。这类纳米材料可作为过滤器材料、气体催化材料、光敏材料之用等等。纳米材料大部分都是人工制备的，属于人工材料。纳米材料的奇异特性，已经引起了科学家极大的兴趣。3、纳米材料的奇异性能 纳米材料在力学、光学、热学、电磁学以及化学等方面的性质与普通材料有很大不同，这是因为当物质小到一定程度后，只能用量子力学来描述。例如：纳米微粒会表现出小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等特点，从而导致纳米微粒的热

9、、磁、光、敏感特性和表面稳定性等不同于正常粒子，这就使得它在化工、电子、医药、能源、军事、航空航天等众多领域具有广阔的应用前景。 纳米材料具有如下奇异性能： （1）“轻巧坚韧”材质轻、强度高、弹性好是纳米材料的一大特性。1991年，日本电气公司（NEC）高级研究员饭岛澄男在制备的过程中，发现了一种奇异的纳米材料，即多层管状的碳纳米管。它既可以是导电的导体，也可以是半导体。由碳纳米管组成的碳纤维理论强度为钢的100倍，密度只有其1/6。直径1毫米的细丝足可以承受20多吨的重量。日本在汽车的前挡泥板塑料中添加了碳纳米管后，如有碰撞弯曲后，它能够自动恢复原状。既有弹性又具极高的强度。在宇航领域，目前

10、人类之所以不能将卫星和飞船送到更远的其它星球上，主要制约因素是由于材质不够轻、强度不够高，导致携带的燃料数量不能太多，如果采用轻质高强的纳米材料，则可以大大减轻卫星和飞船的重量，仪器仪表的重量也会减少，这就给携带更多的燃料带来机会。 同时，纳米技术还可以使燃料燃烧的效率和推进力大大提高。如具有高冲量比和高含能的材料：纳米硼纤维、纳米镍丝和颗粒以及纳米级铝粉，都可能在燃料助推上发挥作用。 （2）“刚柔并济”既柔韧，又坚硬是纳米材料的第二大特性。 一般来说，硬的东西比较脆，韧的东西又较软。例如：陶瓷具有硬度大、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐老化等优点，但却有一个致命的弱点脆性大，容易碎裂。德国莎尔大学

11、和美国阿贡国家实验室先后研究成功纳米陶瓷氟化钙和二氧化钛，在常温下显示了良好的韧性，在180摄氏度下经受弯曲而不产生裂纹。纳米陶瓷克服了陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有了柔韧性和可加工性。高性能纳米复合硅基陶瓷可制成耐高温、耐磨损、耐腐蚀、耐氧化的产品。如：纳米复合陶瓷轴承、化工高温耐磨密封件、纳米复合陶瓷刀具等等。 （3）“活泼好动”反应速度快是纳米材料的第三大特性。随着构成材料的微粒尺寸的减小，材料表面积将急剧增大，表面原子也成倍增加，反应物之间接触的机会也成倍增加，反应速度也成倍增加。因此，纳米材料在催化反应中显示出超强的作用。通常的金属催化剂如铁、钴、镍、铂等制成纳米微粒后，其催化效果大大提

12、高。颗粒直径为30纳米的镍能够把有机化学中的加氧和脱氧反应的速度提高15倍。最近，日本科学家利用纳米铂作为催化剂负载到氧化钛的载体上，在加入甲醇的水溶液中，通过光照射成功制取了氢，产出率提高了几十倍。纳米微粒很可能给工业生产中的催化应用带来革命性的变革。 （4）“胸襟宽广”具有巨磁电阻效应是纳米材料的第四大特性。 纳米材料会出现巨磁电阻效应，所谓巨磁电阻效应是指材料的电阻在一定磁场下会出现急剧减小的现象，减小的幅度比通常的磁性金属和合金材料要大10多倍。根据这一特性，纳米材料可用于制造高效电子元件和高密度信息存储器。 1988年，法国科学家发现了巨磁电阻现象。1998年，美国率先将巨磁电阻技术

13、应用于计算机读写磁头上，使现有的计算机读写头全部更新，将磁盘的记录密度一下提高了17倍，并且大大提高了读写速度。仅这一项技术就给美国创造了340亿美元的经济效益，预计2005年将形成500亿美元的市场。 目前，计算机的存储量已经相当大了。利用纳米技术制造的高密度存储器和量子磁盘，将使计算机的信息存储的密度在现有的水平上再提高一千到一万倍。在未来的1020年里，利用纳米技术，计算机的存储量不再以兆（M，比特/平方英寸）度量，而是以吉（G，比特/平方英寸）来度量。计算机的存储量将达到1000吉，这是今天我们所无法想象的巨大容量。纳米材料的奇异性能还有很多，很难一一例举。它在光、热、电、磁等方面的物

14、理性质都与常规材料不同。例如：金属纳米材料的电阻随尺寸的减小而增大；纳米材料对红外线、微波有良好的吸收特性；纳米材料具有自清洁作用；纳米材料可以抑止细菌的生长，等等。随着研究的不断深入，纳米材料的新性能将不断被发现。利用这些新性能，纳米材料可以被用于制造隐形飞机，也可以用作生产抗菌洗衣机。总之，在不久的将来，在我们生活的方方面面都将出现性能奇异的纳米材料的身影。 4、纳米材料并不神秘 通常人们会认为：纳米技术是一种高新技术，纳米材料是人们利用高技术制造出的一种新材料。其实，这种认识是不准确的。 事实上，即使你不懂什么纳米技术，你也可以自己制造一件“纳米技术产品”。例如：用一块玻璃在火焰上方来回

15、移动，玻璃板表面会被烟熏黑，形成一层薄薄的“黑膜”。这就是一件“纳米技术产品”，可用这件产品去观测日食。其实，在我们周围自然存在的纳米颗粒很多。例如：美丽的蓝天上飘着朵朵白云，白云就是由纳米尺度的小水滴形成的；秋雨刚过，大雾弥漫，雾也是由分散在空气中的纳米尺度的小水滴形成的。像这种云、雾、烟、尘等都是在空气中分散了的纳米颗粒。除此之外，还有像牛奶、肥皂泡沫、泥浆等是在水中分散了的纳米颗粒。像珍珠、彩色塑料、某些合金等是在某种固体里分散了的纳米颗粒。 由此可见，纳米技术并不高深莫测，也不那么遥远，它只是代表人类认识自然、改造自然的一个更深的层次。第二节 21世纪纳米技术的最新成果及地位 2000

16、年初，国际纳米科技出现了快速发展的新势头，主要特点是纳米技术实用化的步伐在加快；各国政府加大了发展纳米技术的投资；国际著名的大公司都纷纷介入纳米技术。权威人士估计，以纳米技术为主导的新产业革命将会提前到来。 一、21世纪纳米技术的最新成果 近几年，纳米技术领域取得了许多重要的研究成果，下面简单介绍其中的部分成果： 1、国外纳米技术新成果美国近几年来，纳米技术研究与产品开发发展迅速。如：医学领域的纳米医药机器人、纳米定向药物载体、纳米在基因工程蛋白质合成中的应用，微电子及信息技术领域的导电聚合物在信息技术中的应用、纳米电子元器件FET二极管、用于感应器的电子序列、纳米传感器，化工领域的利用纳米材

17、料提高催化剂的效能等都取得了很大进展。2001年，美国英特尔公司研制出目前世界上速度最快、仅有20纳米的硅晶体管。这种晶体管将是英特尔45纳米生产工艺的基础，英特尔公司计划在2007年将这种工艺应用于生产过程中。用来制造这些晶体管的门电路氧化物只有三个原子层厚。10万多个门电路氧化物层堆叠在一起才能达到一张纸的厚度。美国伯克利加利福尼亚大学和劳伦斯国立试验所的研究人员，制造出世界最小的激光器纳米激光器。该激光器不足人的头发丝直径的一千分之一，能在室温下工作。这种微型激光器能发射紫外光，并且能将蓝色光变成远紫外光。纳米激光器最终可能用来制造一些器件，这些器件用于鉴别化学物、增加计算机磁盘存储信息

18、量以及用于光计算机中。2006年12月，美国普渡大学癌症研究中心运用RNA纳米技术研制成基因材料颗粒，将抗癌药剂直接运送到癌细胞内，成功阻止了癌细胞的生长、扩散。目前该项新技术已应用于老鼠和实验室培育的人体细胞中。该项研究一旦成功，将是人类治疗癌症的重大进展。 日本科学家在2003年12月发现，当温度降到极端低时，非常接近于一维金属的碳纳米管的电阻急剧增大，变成绝缘体，与普通金属的导电性截然相反。这一发现为开发超微半导体等新产品提供了新思路。名古屋大学研制出一种外层为半导体、内层为导体的双层纳米管，可作为微电子元件的配线，用于薄形装置的关键部位。信州大学研制成功目前世界上最小的碳纳米管，直径只

19、有0.4纳米，这种纳米管可在分子等级上与树胶混合，形成高强度树胶，用于制作小型精密机械用树胶齿轮。日本还研制出世界上最小的晶体管，长度为5纳米，比最小的病毒还要小2倍。 俄罗斯科学家研制出生产能力为每小时10克的碳纳米管的技术装置。还研制出一种碳纳米管生产新方法，将酒精和甘油的混合物喷射到2000至3000的石墨棒上，制成厚度为30150纳米的碳纤维、厚度为2050纳米长度为几米的碳纳米管。这种纳米管可用于制作连接地球与月球的运输线。法国国家科研中心应用粉末冶金制成平均尺度为80纳米、机械特性极佳的纯纳米晶体铜，其强度比普通铜高3倍，而且形变时非常均匀。这是科学家首次获得具有完美弹塑性的物质，

20、为制造常温下的弹性物质提供了十分有用的技术支持。英国谢菲尔德大学通过模拟细胞自我组装机制，使一种树状有机分子自我组装成截面约为20纳米20纳米、含25万个原子的晶格单元。由这些晶格构建的纳米晶体结构比普通液晶晶格结构更大、更复杂，可用于制备各种分子电子学和光学材料。这是目前能够得到的最为复杂、可自我组装的超分子结构，也是光子晶体材料研制领域首次在原子级精确度上获取的纳米级结构。 2、我国纳米技术新成果 2001年，北京友谊医院的专家在把纳米技术应用于心脏病手术方面的研究获得进展。这项研究是把一种网状聚酯型材料做成的套子包裹在心脏表面，即：利用特种物质制成纳米级的超细小微粒，使其附着在网状材料上

21、，这样网状套将更具强度和韧性，还能储备一定的能量，帮助心脏收缩以防止其扩大，从而有效恢复心脏的正常功能。如果这项研究取得成功，将不再需要安装起搏器，手术将大大简化，费用将减少一半以上。纳米材料专家认为，运用纳米技术制成的医用材料耐腐蚀、具有良好的与血液和内脏的相容性、使用寿命长、不含毒副作用，是理想的人体内部补充材料。 中国西北大学纳米材料研究所最新研究发现，利用溶胶和凝胶相结合的方法把新研制的纳米材料制成一种透明的胶体，涂在文物表面，形成一层保护膜，使文物与外界隔离，可以有效地防止氧化、污染及虫菌对文物的侵蚀，有利于文物的长期保护。2003年1月，中科院金属研究所沈阳材料科学国家联合实验室卢

22、柯博士领导的研究小组，利用金属材料的表面纳米化技术在解决金属材料表面氮化这一重大技术难题上，取得突破性进展。表面纳米化技术是国际纳米材料研究领域的一个新的前沿方向，在多种金属和工程合金中得以应用。测试结果表明：表面氮化的铁块具有很高的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，同时，材料本身仍保持原有的韧性，成功实现材料的“刚”、“柔”并济。 2005年3月，哈尔滨工业大学国家大学科技园超微化技术研究室，首次成功开发出纳米级超微细制备技术及设备，据专家介绍，药品经超微细加工后，不仅能大大提高吸收率，还能减少药物使用量；食品经超微细加工后，保质期则大大延长。该项目可使加工产品的粒径不大于50纳米，比现有技术条件处理

23、的粒径缩小至少百分之一。这种纳米级超微细制备技术和设备，将使医药生产、食品加工行业的生产技术整体提升。目前，这一技术和设备已在哈尔滨医药、饮食行业中试生产。 在2006年第五届中国（国际）纳米科技研讨会上，一项由深圳市爱杰特医药有限公司研制开发的纳米科技新产品纳米银抗菌敷料新成果，引起了人们的普遍关注。这种经过纳米技术处理的纱布（专业名称为医用敷料），既有抗感染作用，又具有止痛作用。目前，该项新成果的性能已得到解放军总医院、北京大学一附院、第四军医大附院、广州中医药大学附院的临床验证。 二、21世纪纳米技术的重要地位 21世纪前20年，是发展纳米技术的关键时期。目前，纳米技术已经成为全世界非常

24、关注的技术，并有望成为推动社会经济各个领域快速发展的主导技术。只有高度重视它、大力发展它，才有可能在未来的经济竞争中占据有利地位。所谓主导技术是指对社会发展、经济振兴、国家安全乃至人民生活水平提高的各个领域都能起到关键作用的技术，而且这种技术影响面极广，向各个领域的渗透力相当强，可以带动很多行业的发展。那么，为什么把纳米技术称之为21世纪的主导技术？ 1、从信息技术及其产业发展来看，纳米技术将成为其它技术不可替代的新一代信息技术的核心。纳米技术在信息获取、存储、传输等方面的应用蕴藏着巨大的潜力。如：现代信息存储技术是信息技术的主体技术，不断追求大容量是它发展的一个重要方向。2003年，IBM公

25、司通过纳米技术将量子磁盘的信息存储量提高到1000吉比特/平方英寸；2004年，中国科学院开发出了具有国际最新水平的信息存储技术，运用这一技术存储的信息量比现有的光盘高100万倍，达到纳米级水平。在未来的1020年里，利用纳米技术，计算机的存储量不再以兆（M，比特/平方英寸）度量，而是以吉（G，比特/平方英寸）来度量。计算机的存储量将达到1000吉。利用纳米技术是微电子技术发展的必然趋势。而微电子技术是现代信息技术重要的支撑技术，不断追求高集成度、高速度和低功耗是超大规模集成电路的发展方向。目前，国际上集成电路的生产工艺水平已进入纳米尺寸（1100纳米）达到90纳米。在实验室70纳米的技术已通

26、过考核。超微细加工技术水平正向着10纳米挺进。由此可见，纳米技术即将成为信息技术发展过程中，其它任何技术都难以替代的核心技术，利用纳米技术，可以将现代信息技术推向一个新的高度。 2、从生物技术及其产业发展来看，纳米技术将成为推动生物技术发展的动力。 纳米技术也将成为下一代生物技术的核心技术。2003年，人类基因组序列图的绘制完成，首次在分子层面上为人类提供了一份生命“说明书”，标志着人类对生命的认识进入到了一个新的层次，也把生命科学和生物技术推向了一个新的高度，人类基因组排序无疑成为生命科学的制高点。在这生命科学的前沿领域，纳米技术起到了关键的作用。因为基因的尺度为2.5纳米，把基因排序实际上

27、是利用纳米技术构筑基因的纳米结构，基因组排序的识别、信号提取和放大以及对基因组图谱的分析，纳米技术同样是不可替代的技术。纳米技术在高效缓释靶向药物制备方面蕴藏着巨大的潜力，纳米生物导弹和纳米机器人通过血管传输已在实验室获得成功。带有针尖的光纤与纳米二氧化钛连接，利用纳米光催化效应，可以捕杀肿瘤细胞；纳米可捕杀艾滋病病毒，等等。纳米技术为解决人类重大疾病的治疗问题提供了新的途径。作为21世纪主导技术的纳米技术，与生物技术的交叉融合是必然的发展趋势，纳米技术将成为新一代生物技术发展的重要动力。 3、从纳米技术向各个领域广泛渗透的特点来看，纳米技术将带动众多行业技术升级，达到一个新的高度。纳米技术不

28、仅是现代信息技术和生物技术的核心技术，同时，还对环境、能源、医药卫生、空间技术、新材料技术以及传统产业等众多领域产生重要影响（见图112）。环境能源医疗药物宇航交通纳米技术电子器件计算机生物农业传统产业国家安全新材料制造 图11-2 纳米技术向各个领域的广泛渗透向能源、环境领域的渗透：纳米阵列体系（二氧化钛、钛酸铅镧、铜、硒等）可以使太阳能转化为电能的效率高达25以上。利用纳米技术制备的燃料电池和锂电池，大大提高了可充电电池的使用寿命。纳米技术在氢能源的利用上提供了新的途径。纳米技术对氮氧化物的降解和污水中有机物的降解都显示出巨大的威力，甚至是其它技术难以代替的。日本、美国在汽车尾气处理中使用

29、纳米技术已获得成功。美国利用碳管阵列作为电极进行海水淡化比传统技术的成本降低了一倍，效率明显提高。向空间技术、交通领域的渗透：利用材质轻、强度高、弹性好的纳米材料和相应的纳米技术，可以大大减轻航天器的重量，增加了燃料的携带量，同时，使人造卫星和其它航天器的寿命提高几倍。目前，美国正在研究运用轻质高强纳米材料和纳米技术，取代现在汽车的金属材料，使其重量降低40，从而可使汽油消耗降低50，二氧化碳的排放减少50，预计仅此一项，每年可以为美国创造1000亿美元的效益，纳米技术在新材料的发展和创新方面的巨大市场潜力已初见端倪。向传统产业的渗透：纳米技术在传统产业的改造升级、增加高科技含量、提高产品的竞

30、争力方面，正在发挥巨大的作用。经纳米技术处理的金属陶瓷、塑料和橡胶，既提高了强度又增强了韧性，冲动性能和抗热震性都提高了一到几倍。纳米材料和纳米技术在精细化工领域的导电和绝缘浆料、陶瓷釉料和搪瓷涂层等方面的应用，不仅节省原材料，而且综合性能均有所提高。纳米材料和纳米技术为设计新型功能涂层（防静电、防辐射、紫外屏蔽、热障等）和功能塑料、功能纤维（杀菌、自清洁、阻燃和红外吸收）等新型产业链的形成奠定了基础，不但增加了产品的品种，提高了产品的质量，而且有益于人类的健康，提高了生活质量。纳米催化剂和纳米催化技术在石油化工领域有广泛的应用前景。纳米材料和纳米技术已开始应用于家用电器产业，并获得成功。日本

31、通产省产业技术研究所与东芝公司合作成功制备出4英寸大小的彩电，场发射材料和荧光粉材料均采用了纳米技术，亮度和清晰度均大幅度提高，能耗降低了23倍。高分辨率节能荧光粉和高分辨率阴极射线管的荧光材料只有使用纳米材料，才能达到设计标准。纳米复合改性的氧化锌压敏电阻、非线性电阻和避雷针的陶瓷阀片质量都大大提高，还可以节省原材料20。纳米技术可以说是无孔不入，它对各个领域的影响力和带动力确定了纳米技术的主导地位。4、从纳米产业未来的市场发展来看，世界各国正在纷纷制定新的战略目标，抢占纳米产业这个巨大的市场。目前，人们研究纳米现象的工具和对纳米技术的理解还只是初步的，有很多关于纳米物理、纳米器件等的基本问

32、题还没有解决，科技界普遍认为，纳米技术产生革命性的影响，将是二三十年以后的事，真正的纳米时代还没有到来。尽管如此，纳米科技正在走出实验室，据统计，2000年全球仅纳米材料市场就达到750亿美元，德国科技部预期到2010年，纳米技术市场将达到14400亿元，为迎接纳米时代的到来，许多国家和企业正加强技术储备，准备开拓巨大的市场潜力。2003年全世界用于纳米技术研发的资金总投入为30亿美元。2004年已达约86亿美元，比2003年翻了一番还多。政府投资最多的国家分别为：美国、日本及西欧（欧盟及瑞士）等国。其中美国是对纳米技术投资金额最大的国家。美国政府面对新形势制定了新的战略计划，到2010年要培

33、养80万真正懂纳米科技的人才，纳米技术对美国GDP的贡献要达到1万亿美元,并提供200万个就业机会。美国政府2003年对纳米技术的投资为7.3亿美元，2004年计划投资8.47亿美元，并逐年增加投资金额。希望经过10年的努力，在国际纳米技术领域保持领先地位。 日本把发展纳米技术作为21世纪前20年的立国之本，2003年日本政府对纳米技术的投资达到7亿美元，略少于美国。日本计划以纳米机器人为主导产品全面带动纳米技术的发展。 德国、欧洲各国、加拿大、印度、韩国等许多国家都纷纷制定了发展纳米技术的新计划。资助和培养高水平的青年科学家， 开发纳米技术新产品，推动纳米技术的应用，评价纳米技术的社会效果，

34、完善法律框架条件。 国际五百强的大公司都制定了近期发展纳米技术的战略，日立、三井物业、昭和电工、三菱化工、朗讯等都制定了两年内发展纳米实用技术的计划。风险投资公司也看好纳米技术未来的市场。纳米技术的“冲击波”已在全世界引起了很大的反响。 2000年，朱鎔基总理接见中科院副院长白春礼院士时说，中国要在5年内累计投资25亿人民币发展纳米技术。我国已成立了国家纳米科技协调指导委员会，组织专家起草了中国纳米科技发展纲要。要开展纳米专项研究，建立纳米技术平台和核心实验室，建立若干个纳米技术工程示范中心和示范产业，并且要辐射若干个相关产业。目前，我国在纳米科学基础研究的某些领域如纳米材料的制备技术，处于国

35、际前沿；在利用纳米技术改造传统产业方面卓有成效，已引起世界关注；在纳米材料和应用技术的某些方面，在国际上处于领先，并引起世界各国的重视。第三节 微型化技术随着现代科学技术的发展，人们不断追求尺度微小型化的机械装置，以适应生物、环境控制、医学、空间技术、信息技术、传感技术、军事武器等领域日益增长的需要。微型机械技术是纳米科学技术的一个重要的分支，是21世纪深受世人关注的新兴学科。一、微型机械系统与微型机械加工技术微型机械系统（MEMS）是只能批量制作，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及各种控制电路、线路、电源于一体的微型器件或系统。其主要特点有：体积小、重量轻、耗能低、性能稳定；有利于大批量

36、生产，降低生产成本；惯性小、谐振频率高、响应时间短；集约高技术成果，附加值高。微型机械的目的不仅仅在于缩小尺寸和体积，更重要的是通过微型化、集成化，来开发新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域，形成批量化产业。微型机械加工技术是指制作微机械装置的微细加工技术。微细加工的出现和发展是与大规模集成电路密切相关的，集成电路要求在微小面积的半导体上能容纳更多的电子元件，以形成功能复杂而完善的电路。电路微细图案中的最小线条宽度是提高集成电路集成度的关键技术标志，微细加工对微电子工业而言就是一种加工尺度从微米到纳米量级的制造微小型元器件或掩模图形的先进制造技术。目前微型加工技术主要基于从半导体集成

37、电路微细加工工艺中发展起来的硅平面加工和体加工工艺，上世纪八十年代中期以后在微型铸模电镀工艺加工、准微型铸模电镀工艺加工，超微细加工、微细电火花加工、等离子束加工、电子束加工、快速原型制造以及键合技术等微细加工工艺方面取得相当大的进展。 微型机械系统可以完成大型机电系统所不能完成的任务。微型机械与电子技术紧密结合，将使种类繁多的微型器件问世，这些微器件采用大批量集成制造，价格低廉，将广泛地应用于人们生活的众多领域。可以预料，在本世纪内，微型机械将逐步从实验室走向实用化，对工农业、信息、环境、生物医疗、空间、国防等领域的发展将产生重大影响。微细机械加工技术是微型机械技术领域的一个非常重要而又非常

38、活跃的技术领域，其发展不仅可带动许多相关学科的发展，更是与国家科技发展、经济和国防建设息息相关。微型机械加工技术的发展有着巨大的产业化应用前景。 二、微型机械的发展现状1、国际发展现状20世纪60年代以来，微电子技术渗透到机械工程各个领域，机电一体化为机械装置在系统结构和性能方面都带来了革命性的变化，也大大促进了机械装置微型化的发展，微型机械的研究最初是由美国斯坦福大学于1970年开始的，1987年美国投入大量经费支持微型机械的开发，首先制造出了直径为100微米的静电微型电机，其转子直径只有60微米。这一项突破性的成就，轰动了当时的科技界和产业界。紧接着，外形尺寸在几十微米到几百微米的微型齿轮

39、、微型弹簧、微型涡轮等微机构也相继制造出来。目前，微型机械装置的巨大发展潜力已经引起各国政府部门、企业界、高等学校与研究机构的高度重视，微型化机械的研究开发也在世界各国积极地开展起来。美国政府连续大力投资，并把航空航天、信息和MEMS作为科技发展的三大重点。美国国防部每年拨出3500万美元用于微型系统的开发研究，国防部的高级研究计划局积极领导和支持MEMS的研究和军事应用，现已建成一条MEMS标准工艺线，以促进新型元件与装置的研究与开发；美国宇航局投资1亿美元着手研制发现号微型卫星；美国国家科学基金会把MEMS作为一个新崛起的研究领域制定了资助微型电子机械系统研究的计划，从1998年开始，加州

40、大学等8所大学和贝尔实验室从事这一领域的研究与开发，年资助额从100万、200万增加到500万美元；1994年发布的美国国防部技术计划报告，把MEMS列为关键技术项目。很多高等院校和科研机构加入了微型机械系统的研究，如康奈尔大学、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、密执安大学、威斯康星大学等。加州大学伯克利传感器和执行器中心（BSAC）得到国防部和十几家公司资助1500万元后，建立了MEMS的超净实验室。 继美国之后，日本、欧洲各国也相继将微型机械研究列为重要发展领域，促进了微型机械的迅速发展。日本通产省1991年开始启动一项为期10年、耗资250亿日元的微型机械研究计划，研制两台样机，一台用于医

41、疗、进入人体进行诊断和微型手术，另一台用于工业，对飞机发动机和原子能设备的微小裂纹实施维修。该计划有筑波大学、东京工业大学、早稻田大学和富士通研究所等几十家单位参加。 欧洲工业发达国家也相继对微型系统的研究开发进行了重点投资，德国政府每年投入6500万美元支持微型系统的研究，自1988年开始启动微加工十年科研计划项目，并把微系统列为本世纪初科技发展的重点，德国首创的LIGA工艺，为MEMS的发展提供了新的技术手段，并已成为三维结构制作的优选工艺；法国1993年启动了7000万法郎的“微系统与技术”项目；瑞士在其传统的钟表制造行业和小型精密机械工业的基础上也投入了MEMS的开发工作，1992年投

42、资为1000万美元；英国政府也制订了纳米科学计划，在机械、光学、电子学等领域列出8个项目进行研究与开发；澳大利亚将微型系统作为21世纪最优先开发的项目；欧共体组成“多功能微系统研究网络NEXUS”，联合协调46个研究所的研究。为了加强欧洲开发MEMS的力量，一些欧洲公司已组成MEMS开发集团。 据不完全统计，目前，全世界有600所大学、部门和私人实验室在从事MEMS装置的研究。近十几年来迅速发展起来的X射线、紫外光或电子束、离子束微刻技术以及深刻加工工艺也大大推动了器件微型化的发展。从世界范围看，微型机械系统的研究及其产业化发展很快，应用范围也从汽车、医疗领域逐渐向通信、机械工程、生物技术、分

43、析和诊断技术、化学技术、制造和生产技术、环保技术等众多领域扩展。2、国内发展现状我国在科技部、国家自然基金委，教育部和总装备部的资助下，一直在跟踪国外的微型机械研究，积极开展MEMS的研究。现有的微电子设备和同步加速器为微系统提供了基本条件，微细驱动器和微型机器人的开发早已列入国家863高技术计划及攀登计划B中。已有近40个研究小组，取得了一些研究成果。广东工业大学与日本筑波大学合作，开展了生物和医用微型机器人的研究，已研制出一维、二维联动压电陶瓷驱动器，其位移范围为10m10m；位移分辨率为0.01m，精度为0.1m，目前正在研制6自由度微型机器人；长春光学精密机器研究所研制出直径为3mm的

44、压电电机、电磁电机、微测试仪器和微操作系统。上海冶金研究所研制出了微电机、多晶硅梁结构、微泵与阀。上海交通大学研制出2mm的电磁电机，南开大学开展了微型机器人控制技术的研究等。 我国有很多机构对多种微型机械加工的方法开展了相应的研究，已奠定了一定的加工基础，能进行硅平面加工和体硅加工、微细电火花加工及立体光刻造型法加工等。 我国在微型加工技术的优先发展领域是生物学、环境监控、航空航天、工业与国防等，已建设有世界先进水平的微型机械研究开发基地，重视微观尺度上的新物理现象和新效应的研究，增强微型机械的研究与开发实力，迎接二十一世纪技术与产业革命的挑战。三、微型化技术的成就与应用前景随着微型机械技术

45、的不断发展，微小型化的趋势正在一步步变成现实。目前已有大量的微型机械或微型系统被研究出来。例如：尖端直径为5微米的微型镊子可以夹起一个红血球；尺寸为7毫米7毫米2毫米的微型泵，流量可达250微升/分钟；日本丰田公司已用微小的部件组装成一辆只有米粒大小，能开动的微型汽车；德国工程师制成了一架只有黄蜂大小并能升空的直升机、肉眼几乎看不见的发动机以及供化工行业使用的火柴盒大小的反应器，德国还创造了LIGA工艺，制成了图11-3 微型机器蜘蛛悬臂梁、执行机构以及微型泵、微型喷嘴、湿度、流量传感器以及多种光学器件；美国加利福尼亚大学的研究人员用微型铰链、齿轮和发动机组装成一个蚂蚁大小的人造昆虫，可以在地

46、上爬来爬去；美国加州理工学院在飞机翼面粘上相当数量的1毫米的微梁，控制其弯曲角度以影响飞机的空气动力学特性。美国大批量生产的硅加速度计把微型传感器（机械部分）和集成电路（电信号源、放大器、信号处理和正检正电路等）一起集成在硅片上3毫米3毫米的范围内。日本研制的数厘米见方的微型车床可加工精度达1.5微米的微细轴。 LIGA是德文Lithographie， Galvanoforming， Abfovmung的缩写。LIGA技术包括X射线深层光刻、 电铸成型和塑铸成型等三个工艺过程。运用LIGA技术可制成有自由振动及转动或具有其他动作功能的微结构。是目前生产微机械、微流体和微光学元件最有前途的微制造

47、技术。微型机械加工技术的发展，刚刚经历了十几年，就显示出了巨大的生命力。首先，微型机械体积小、重量轻、性能可靠、坚固耐用。美国贝尔实验室的研究人员曾使一个微型机械震动了二千万次而没有损坏。科学家解释说：“如果一只苍蝇从墙上摔到地面，它不会受伤，因为它太小了。但是若换成一头大象，那它必定会受伤。”；其次，由于微型机械技术只能大批量制造，因此可以大幅度降低生产成本。例如：美国贝尔实验室采用微型电子机械技术制造的微型光学调制器，其芯片每块成本只有几美分，而过去则要花费5000美元。微型机械产品将以其价格低廉和优良性能赢得市场。在生物工程、化学、微分析、光学、国防、航天、工业控制、医疗、通讯及信息处理、农业和家庭服务等领域有着潜在的巨大应用前景。当前，作为大批量生产的微型机械产品如微型压力传感器、微细加速度计和喷墨打印头已经占领了巨大市场。目前市场上以流体调节与控制的微机电系统为主，其次为压力传感器和惯性传感器。1995年全球微型机械的销售额为15亿美元，到2002年，相关产品的产值已达400亿美元以上。显然微型机械及其加工技术有着巨大的市场和经济效益。 微型武器是微型化技术在军事上的应用。目前，许多国家正在研制像昆虫一样的微型武