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纳米材料在机械上的应用摘要：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；微型机械机械是现在社会的基础，是社会的一大支柱。机械的种类繁多，可以按几个不同方面分为各种类别，如：按功能可分为动力机械、物料搬运机械、粉碎机械等；按服务的产业可分为农业机械、矿山机械、纺织机械等；按工作原理可分为热力机械、流体机械、仿生机械等。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0．1～100nm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。纳米材料的特性1、力学性质高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。2、热学性质纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。3、电学性质由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研制出由碳纳米管组成的逻辑电路。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果。1、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。2、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。3、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。4、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。微型纳米轴承传统的轴承的体积比较大，其摩擦力也仅仅能够靠润滑来进行减少，但是，仍然不能够将摩擦力进行避免。美国的科学家对其进行了研究，并且研制出来一种没有摩擦的微型纳米轴承，微型纳米轴承主要包括以下两个特点：第一，微型。微型纳米轴承的直径仅仅为一根头发直径的万分之一，其应用到机电系统微型的轴承只有lnlTl，为微型机械千分之一的大小。第二，摩擦力极小。如果轴承的体积很小，那么，套在一起管子之间摩擦力就会将微型轴承弱点暴露出来，在其产生的摩擦力很大的时候，会导致微型轴承无法使用。通常制造的微型机械轴承与这种纳米轴承相比较，摩擦力仅仅是其最小值千分之一。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与面。美国迈特公刮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。[j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25ram，水平方向100mm的拾取动作，所需时间缩短到028s。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100*的位置重复精度(±5nm)．可适应于精密微细操作。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卜分之一的硅原子构成的“悬臂”。他们装配的这种小“悬臂”一端固定．另一端则可以上下弯曲，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治疗的臼的。合成永磁体永磁材料是机械化学法最有前途的应用之一，许多稀土永磁合金可由元素粉合成。德国西门子公司用机械化学法制备出Nd15fe77B8永磁体随后以金属为原材料利用机械化学法制备出SmCo5Nd2fe14Ca3C2Sm2Co17等稀土永磁材料。大多数的工作是从Sm2O3SmCl3或Smf3前驱体与CoCa进行机械化学合成SmCo5获得的组成是非晶的SmCo相和副产品CaO经热处理晶化成SmCo5这是集精炼合金化和粉末制造为一体的低温制造过程是一种低成本制造稀土永磁的技术。合成储氢材料储氢材料作为一种新型的功能材料它能够储存氢并在需要的时候将氢释放出来迄今为止研究人员已开发出了稀土系.TiFe系.r系和Mg系等多个系列的储氢合金机械化学法在制备金属纳米晶储氢材料方面有以下主要优点从原理上讲可以任意调配材料组成。合成许多难以用常规的熔炼或其他方法制备的新型纳米晶储氢合金材料机械化学球磨过程能在氢气氛下完成直接获得储氢态合金材料能有效降低其后续吸放氢反应的活化能工艺过程简单制备的储氢材料一般为超细粉末使用时不需再粉碎且在充放氢过程中的抗粉化能力好因此关于机械合金化纳米晶储氢材料的研究近几年来相当活跃。由于机械化学对Mg基储氢合金动力学性能的改善各国的许多研究人员继续致力于用机械化学法提高储氢合金特别是Mg基储氢合金的性能其中一个重要的方面是关于将Mg基储氢合金用于NiMH电池如能获得成功NiMH电池的水平将会大大提高近几年来哈尔滨工业大学在机械化学合成纳米晶Mg基储氢材料方面也做了较多工作先后制备和研究了纳米晶Mg2NiCu\Mg氧化物\Mg氯化物等系列的新型储氢材料9取得了较大研究进展。纳米技术足近十多年来逐步发展起来的一门前沿、综台性交叉的新学科．它的迅猛发展将引发2l世纪的工业革命。因此，目前所有发达国家的政府和企业都在对纳米技术的研发进行大量的投入，试图抢占这21世纪科技战略制高点，从而在世界竞争中保持优势。最近，我国政府也明确提出了将新材料和纳米技术的进展作为“十五”规划中科技进步和创新的重要任务．这为我国2l世纪初纳米技术的快速发展奠定了重要基础。相信在21世纪，纳米产品将广泛应用于各个领域，它给人类生活方式和生活质量的全面提高所带来的影响将可能超过计算机给人类带来的影响。纳米材料的应用前景展望经过几十年对纳米技术的研究探索，现在科学家已经能够在实验室操纵单个原子，纳米技术有了飞跃式的发展。纳米技术的应用研究正在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪4大领域高速发展。可以预测：不久的将来纳米金属氧化物半导体场效应管、平面显示用发光纳米粒子与纳米复合物、纳米光子晶体将应运而生；用于集成电路的单电子晶体管、记忆及逻辑元件、分子化学组装计算机将投入应用；分子、原子簇的控制和自组装、量子逻辑器件、分子电子器件、纳米机器人、集成生物化学传感器等将被研究制造出来。纳米技术目前从整体上看虽然仍然处于实验研究和小规模生产阶段，但从历史的角度看：上世纪70年代重视微米科技的国家如今都已成为发达国家。当今重视发展纳米技术的国家很可能在21世纪成为先进国家。纳米技术对我们既是严峻的挑战，又是难得的机遇。必须加倍重视纳米技术和纳米基础理论的研究，为我国在21世纪实现经济腾飞奠定坚实的基础。整个人类社会将因纳米技术的发展和商业化而产生根本性的变革。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200