第10章纳米级加工技术.ppt

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本科生专业课程本科生专业课程第第1010章章纳米技术纳米技术邓建新邓建新山东大学机械工程学院山东大学机械工程学院20102010年年1111月月纳米级纳米级（0.1nm100nm）纳纳米米技技术术包包括括材材料料、设设计计、制制造造、测测量量和和控控制制技技术术，涉涉及及机机械械、电电子子、材材料料、物物理理、化化学学、生生物物、医医学学等等多个领域。

多个领域。

在在达达到到纳纳米米层层次次后后，决决非非几几何何上上的的“相相似似缩缩小小”，而而出出现现一一系系列列新新现现象象和和规规律律。

量量子子效效应应、界界面面效效应应、尺寸效应尺寸效应等不可忽略，甚至成为主导因素。

等不可忽略，甚至成为主导因素。

1纳米纳米=10-9m，大大约约等等于于十十个氢个氢原子原子并并列一列一直直线线的的长长度。

度。

形象地讲，形象地讲，一纳米的物体放到乒乓球上，一纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般，这就是就像一个乒乓球放在地球上一般，这就是纳米长度的概念纳米长度的概念。

人人类头发类头发的直的直径径大大约约有有6万万至至8万纳万纳米米。

纳米及纳米技术纳米及纳米技术纳米技术：

纳米技术：

是是20世纪世纪80年代末期兴起的新技术，其年代末期兴起的新技术，其基本含意是在基本含意是在纳米尺寸范围纳米尺寸范围内认识和改造自然，通内认识和改造自然，通过直接操纵和安排过直接操纵和安排原子、分子原子、分子而达到创新的目的。

而达到创新的目的。

主要是主要是在在纳米尺度纳米尺度（0.1-100nm）上研究物质上研究物质（包括原包括原子、分子的操纵子、分子的操纵）的特性和相互作用，以及如何利用的特性和相互作用，以及如何利用这些特性和相互作用的具有多科交叉性质的科学和这些特性和相互作用的具有多科交叉性质的科学和技术。

技术。

纳米科技研究内容纳米科技研究内容纳米科技的研究内容：

纳米科技的研究内容：

纳米纳米物理学、纳米化学、纳米材物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电料学、纳米生物学、纳米电子学、子学、纳米加工学纳米加工学、纳米力、纳米力学学等学科。

等学科。

纳米技术纳米技术涉及涉及机械、电子、机械、电子、材料、物理、化学、生物、材料、物理、化学、生物、医学医学等多个领域。

等多个领域。

纳米科技大厦纳米科技大厦纳米技术研究的主要内容纳米技术研究的主要内容纳米材料；纳米材料；纳米级传感与控制技术；纳米级传感与控制技术；纳米级测量技术；纳米级测量技术；纳米级加工技术；纳米级加工技术；纳米机械的设计与制造技术纳米机械的设计与制造技术。

在达到纳米层次后，决非几何上的在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小相似缩小”，而出现一系列新现象和，而出现一系列新现象和规律。

规律。

量子效应、界面效应、尺寸效量子效应、界面效应、尺寸效应应等不可忽略，甚至成为主导因素。

等不可忽略，甚至成为主导因素。

人们发现，在人们发现，在0.l一一100nm的空间尺度的空间尺度内，物质存在许多奇异的性质。

内，物质存在许多奇异的性质。

任何物质到了纳米量级，其物理、化学性质都会发生巨大任何物质到了纳米量级，其物理、化学性质都会发生巨大的变化，也会因此而具有一些新的特性。

例如，纳米铁粉的变化，也会因此而具有一些新的特性。

例如，纳米铁粉一改一改“不怕火烧不怕火烧”的的“英雄本性英雄本性”，而变成一旦遇到空气，而变成一旦遇到空气，就能马上燃烧起来，生成氧化铁。

就能马上燃烧起来，生成氧化铁。

纳米感觉纳米感觉纳米材料的基本效应纳米材料的基本效应小小尺尺寸寸效效应应：

当当微微粒粒分分割割到到达达一一定定程程度度时时，其其性性质质将将会会发发生生根根本本性性的变化。

的变化。

量子效应量子效应：

电子能级由准连续变为离散能级的现象。

：

电子能级由准连续变为离散能级的现象。

界界面面效效应应：

纳纳米米材材料料由由于于大大量量的的原原子子存存在在于于晶晶界界和和局局部部的的原原子子结结构构不不同同于于大大块块晶晶体体材材料料，使使纳纳米米材材料料的的自自由由能能增增加加，纳纳米米材材料料处处于于不不稳定状态。

稳定状态。

表表面面效效应应：

纳纳米米微微粒粒尺尺寸寸小小，表表面面能能高高，位位于于表表面面的的原原子子或或分分子子所所占的比例非常大。

占的比例非常大。

特点特点：

尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大四四个个方面方面应应用用:

（1）纳纳米米电电子子学学

（2）纳米纳米材料科材料科学学（3）纳纳米生物米生物学学（4）纳纳米米医学医学:

发明发明、设计设计及生及生产纳产纳米米级级的新的新药物药物特点及应用特点及应用观察和研究固体表面的微观结构观察和研究固体表面的微观结构改造微观世界的手段改造微观世界的手段操纵原子不是梦操纵原子不是梦进行纳米级微加工进行纳米级微加工表面刻蚀表面刻蚀进行纳米级微加工进行纳米级微加工表面刻蚀表面刻蚀进行纳米级微加工进行纳米级微加工表面刻蚀表面刻蚀600nm石墨表面上刻蚀石墨表面上刻蚀1981年：

科学家发明研究纳米的重要工具年：

科学家发明研究纳米的重要工具扫描隧道显扫描隧道显微镜微镜，原子、分子世界从此可见。

，原子、分子世界从此可见。

1990年：

首届国际纳米科技会议在美国巴尔的摩举办，年：

首届国际纳米科技会议在美国巴尔的摩举办，纳米技术纳米技术形式诞生。

形式诞生。

1991年：

碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢年：

碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是铁的的六分之一，强度却是铁的10倍，倍，成为纳米技术研究的成为纳米技术研究的热点热点。

国外纳米技术进展国外纳米技术进展国外纳米技术进展国外纳米技术进展移动原子移动原子世界上最小的广告世界上最小的广告p1990年，年，IBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们们在金属镍表面用在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母三个英文字母。

p科学家在试验中发现科学家在试验中发现STM的探针不仅能得到原子图象，而且可以将的探针不仅能得到原子图象，而且可以将原子在一个位置吸住，再搬运到另一个地方放下。

原子在一个位置吸住，再搬运到另一个地方放下。

这意味着人类从此可这意味着人类从此可以对原子进行操纵！

这在过去只能从科幻小说上看到的情节现在已经成以对原子进行操纵！

这在过去只能从科幻小说上看到的情节现在已经成为现实为现实。

移动原子移动原子世界上最小的广告世界上最小的广告用STM移动分子组成的IBM字样纳米组装体系是以纳米组装体系是以纳米颗粒、纳米丝或纳米颗粒、纳米丝或纳米管纳米管为基本单元在一维、二维和三维为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系，空间组装排列成具有纳米结构的体系，如如人造超原子体系、有序阵列人造超原子体系、有序阵列等。

等。

人工组装合成的纳米结构的体系人工组装合成的纳米结构的体系纳米齿轮纳米齿轮纳米纳米轨道状轨道状C纳米索线纳米索线纳米多层管纳米多层管C纳米管纳米管和和C60球球C纳米管纳米管多层多层C纳米管纳米管C脚手架脚手架C60晶体管晶体管国外纳米技术进展国外纳米技术进展实心的纳米棒、纳米线、量子线实心的纳米棒、纳米线、量子线材料世界中的大力士材料世界中的大力士-纳米金属块体纳米金属块体金属纳米颗粒粉体制成块状金属纳米颗粒粉体制成块状金属材料，它会变得十分结金属材料，它会变得十分结实，强度比一般金属高十几实，强度比一般金属高十几倍，同时又可以像橡胶一样倍，同时又可以像橡胶一样富于弹性。

富于弹性。

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快，飞机会飞得更高。

纳米陶瓷刚柔并济！

纳米陶瓷刚柔并济！

纳米陶瓷纳米陶瓷p如果有一种超微型镊子，能如果有一种超微型镊子，能够钳起分子或原子并对它们随够钳起分子或原子并对它们随意组合，制造纳米机械就容易意组合，制造纳米机械就容易多了。

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埋有传感器的头盔，使士兵多只后眼不至于被打有传感器的头盔，使士兵多只后眼不至于被打闷棍；藏有微处理器和药包的军服，自动感知闷棍；藏有微处理器和药包的军服，自动感知士兵身体情况并敷药；有微涂层的军服可以抵士兵身体情况并敷药；有微涂层的军服可以抵抗生化武器袭击；由抗生化武器袭击；由“铰合分子铰合分子”制造的比人制造的比人体肌肉强壮体肌肉强壮10倍的倍的“肌肉肌肉”，这种人造肌肉一，这种人造肌肉一旦装到手套、制服和军靴里，跳过高墙不在话旦装到手套、制服和军靴里，跳过高墙不在话下。

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场急救。

用纳米技术制造出防水布料。

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用这种超薄布料制成的作战服用这种超薄布料制成的作战服几乎感觉不到重量，而现在一几乎感觉不到重量，而现在一名全副武装的美军士兵负重介名全副武装的美军士兵负重介于于9090到到120120磅之间。

另外根据磁磅之间。

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僵硬的装甲系统。

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只有认识它、发展它，才有可能在。

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未来经济竞争的格局中占据主动。

p计算机技术从计算机技术从20世纪世纪70年代开始，每年代开始，每57年都有一个大变化。

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一是每一是每18个月个月单位面积存储信息量要增加一倍单位面积存储信息量要增加一倍，而且价格更便宜；，而且价格更便宜；二是计算机每隔二是计算机每隔57年年尺寸要缩小尺寸要缩小10倍倍，价格便宜，价格便宜10倍，同时计倍，同时计算的速度提高算的速度提高10倍。

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