我国机械工程研究进展与展望(5)
2.15微纳制造领域
目前微型机械系统(Micro-electromechanicalsystems,MEMS)发展的主要趋势是工程性能优化、
智能系统集成、批量低成本;纳米制造主要研究方向是尺度效应、材料加工方法、纳米结构及系统的
制造。
在微纳系统设计方面,苑伟政等提出了支持任意流程的MEMS集成设计工具,可为机械、电子等不同工程背景设计人员提供多层次、多入口的任意流程设计,支持惯性、压力、光学、射频等器件的建模、仿真与分析。
北京大学在硅基MEMS技术研究中,提出三套标准工艺流程,突破了高深宽比硅刻蚀、微结构键合强度检测、应变电阻杂质分布、薄膜应力控制等难题,建立了高水平的硅基MEMS加工平台。上海交通大学研究了非硅多层复杂微结构加工技术等,
并应用于化学传感器、生物医学分析器件中。
中科院上海微系统所等发明了多层硅微机械结构一次成形技术、干法刻蚀积累电荷释放和可动结构保护技术和圆片级封装新方法,形成了基于单硅片结构的双面体微机械压阻传感器制造工艺、建立了集MEMS芯片制造和封装于一体的技术平台。
李勇等针对喷墨、喷丝、喷液和喷雾构件的微加工,提出了微细冲压加工和微细电火花加工交叉结合的微细阵列型孔复合加工工艺,加工出截面形状为三角形、最小喷口尺寸60pm量级的喷丝头,
目前正在开发面向汽车喷油嘴的批量微细电火花加工工艺与设备。
哈尔滨工业大学提出了微塑性成形工艺,制造出微型齿轮和钟表延时机构;采用微细电火花加工技术,提出了微喷批量加工工艺与设备技术。厦门大学提出了具有原创性约束刻蚀剂层技术,实现了对硅、砷化镓和金属(Cu、Ni、Al、Ti)的三维刻蚀加工。尹韶辉在微小非球面模具的超精密磨削及纳米研抛加工方面取得重要进展,并已获得初步应用。
王立鼎、刘冲等研制了具有自主知识产权的塑料微流控芯片自动化制造装备,进行了微结构热压成形金属模具的制作、微流控芯片制作工艺以及芯片质量检测技术等方面的研究,掌握了芯片批量制作的关键技术。
2.16纳米加工领域
中科院上海微系统所将干法刻蚀工艺与湿法腐蚀工艺有机结合,研制出纳米梁、桥、探针、纳机电谐振器结构等。哈尔滨工业大学、天津大学开展了纳米加工技术研究,如阳极氧化、热烧蚀、机械刻蚀等,董申等采用原子力显微镜(Atomforcemicroscope,AFM)机械耕犁加工方法,加工出多种复杂纳结构。周明等在飞秒激光生物分子纳米加工、黄文浩等在飞秒激光微细光成型加工领域取得了重要进展。
卢秉恒、丁玉成等[14]提出了常温软压印下"保压一释放一固化"的纳米压印工艺,发现了阻蚀胶与模具液一固界面、固一固界面特性对模腔填充质量及其脱模效果的影响规律,实现了50nm线宽的纳米压印,具有良好的复型保真度。
中科院物理所成功研制出具有对称式机械结构的双探针扫描隧道显微镜(Scanningtunnelingmicroscope,STM)探头,并通过主动降噪技术大大提高了STM系统的信噪比;研制成功超高真空低温(变温)强磁场双探头STM与分子束外延联合系统,并应用于实际。
史铁林、刘胜等开展了MEMS动态特性测试技术研究,研究了纳米级测量分辨率的平面运动估计
算法、三维耦合运动测试理论、基于傅里叶变换和时间平均干涉图像分析方法,以及微结构杨氏模量间接测量技术,研制出了具有自主知识产权的MEMS频闪干涉视觉三维测试设备。
张文栋、刘俊等研制了基于拉曼光谱的圆片级微结构应力测试平台,完成了静态应力和动态应力的测试。中科院上海微系统所研制出基于原子力显微镜的微纳力学测试设备,制备了具有一定弹性系数范围的探针,结合研发出的微区力学特性、参数提取算法和SPM平台固化软件技术,实现了微力和微位移下的微区力学性能精确分析[1]。
3机械工程科学发展总趋势
在机械工程科学方面,虽然已经取得了瞩目的创新及进展,但必须清醒地认识到,我国机械工程科学总体上还处于落后状态。主要体现在:中国机械工程的理论、方法和技术对中国制造业的自主创新和发展的贡献不显著;中国学者提出的机械领域的新概念、新理论不多;有重要国际影响的机械工程理论、方法和技术不多;国际机械领域学术界有较大影响的中国学者很少。总体上中国机械工程学术领域在国际上的地位滞后于中国制造业在国际制造界的地位。
未来机械工程学科的发展将主要受到两方面的制约和推动,一个是制造业的创新发展,另一个是学科的演变进步。
鉴于未来制造业发展的总趋势是全球化、信息化、绿色化、知识化和极端化(以下简称"五化")。机械工程科学的基本任务,就是为制造业的"五化"提供所需求的机械系统新理论、新方法和先进制造技术。
随着世界的进步、国家的需求和学科的发展,机械工程科学的发展出现了以下显著特点和趋势:一方面,高技术领域如光电子、微纳系统、航空航天、生物医学、重大工程等的发展,要求机械与制造科学向这些领域提供更多更好的新理论、新方法和新技术,因而出现和发展着微纳制造、仿生及生物制造、微电子制造等制造科学新领域;另一方面,随着机械与制造科学与信息科学、生命科学、材料科学、管理科学、纳米科学技术的交叉,除了推动着机构学、摩擦学、动力学、结构强度学、传动学和设计学的发展外,还产生和发展着仿生机械学、纳米摩擦学、制造信息学、制造管理学等新的交叉科学。
由于我国未来将大力推进拥有自主知识产权的先进仪器及装备技术,因此,基于自主创新的高技术仪器及装备的设计制造的基础研究将得到更充分地重视和更快地发展;此外,由于21世纪我国资源和环境面临空前的严峻挑战,要求机械与制造科学比以往任何时候更重视环境的保护、产品的安全性和绿色度、材料和能源的节省、机电装备的再制造以及新能源制造领域的研究。
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