機械設備逐漸微型化的研究

程研 徐建寧 楊曉軍

摘要：隨著科技的不斷發展，機械設備的發展也逐漸趨于微型化。然而機械設備的微型化進程，卻受到了尺度方面的困擾。這種困擾主要來自于微型構件自身的材料物理性能發生變化；機械朝向微型化發展時，表面力將起到主導效果；還有一些在微觀角度上的擁有長程效應的短程力以及由其引發表面效應在微型構件中的作用。本文針對微機械的尺度效應引發的以上科學難題做了簡要的闡述，希望為實現機械設備微型化提供一定的幫助。

關鍵詞：微機械；尺度效應；微型構件；表面力；

一、微機械的發展背景

早在40多年之前，世界上著名的物理學家就提出了微機械的概念，微電子的技術發展給微機械的研究奠定了基礎，在一些方面促進了微機械的研究，比如微機械中工藝的建立，微驅動器與微傳感器的研發以及它們在液體與氣體流動中的應用。但是對于微機械自身來說，其發展受到了一定的制約，導致發展速度相對較慢，幾乎看不到已經成功研發出來的微機械方面的報道。主要的制約因素是，微機械設計和加工以及制造等方面的技術被人們掌握的程度還是遠遠不夠的，此外存在一個非常關鍵的問題，即微機械強度和破壞的機理人們并沒有充分的認識，原因就是科學家們面臨一個以前從未有過的困難即尺度效應。

應當指出，微機械不是傳統概念上的簡單的幾何尺寸變小，是因為機械的尺寸變得微小型之后，第一，構件的材料自身的物理性能和它對周圍環境條件不斷變化的反饋將會有大的改變；第二，微機械力學方面的特性以及其構件對不同的環境介質的行為和受到的體積及表面力關系等都發生了變化；此外，制造的具體工藝路線和技術上的難度造成構件之間產生幾何尺寸誤差與摩擦等因素，以上這些問題都遠遠超出傳統上的科學理論范疇。所以，微機械是依據現代化的科學下產生的一門具有綜合性質的產物。

二、微機械的力學特征

2.1 微機械的固體構件力學特性

隨著機械的微型化提出，微型構件所受的力學特性就因與傳統意義上的尺度存在很大不同而受到廣泛的關注。不管使用的構件屬于金屬還是屬于非金屬，構件的尺度效應都會表現得更加強烈。如果材料是非金屬，尤其是非金屬的工程材料，例如陶瓷與混凝土，在宏觀上兩者的尺度效應就較為明顯，并且早在16世紀就被認知。但是對于材料如果是金屬的情況下，即便是成份較為純正及結構較為完整的材料，其微米層次上也有尺度效應。近年來才出現了其尺度效應方面的具體實驗觀察和理論研究。

在微機械中，固體力學方面的問題除了以上尺度效應以外，還會涉及到位一個微構件與另外一個微構件間的很多破壞性機制，例如薄膜的脫膠和撕裂之類的問題等。針對這些問題，假設還是采取傳統的理論分析，得出的結果和實驗的結果會相差很多，但如果采用塑形應變的梯度理論對其分析，那么就可以針對產生的實驗現象一個有效的預測，同時在一定的程度上也會作出合理解釋。

2.2 尺度上的比較與表面力

微流動是靠表面力這樣的形式對微機械的表面其作用，這是微機械是否可以正常工作的重要因素，或者人們選擇微機械的技術手段對流動的特征進行控制。從研究上講，微構件的尺度可以影響到具有長程效應的諸如微觀分子和分子層次之類的短程的作用力。所以，研究微機械的表面力有著重要的意義。

2.2.1 表面力和體力間的比較

體力和表面力分別是根據特征尺度三次冪和一次或兩次冪進行標度的。冪的次數不同，因此當尺度在減小時，表面力對體積力的重要程度就越高。構件的尺寸慢慢減小時，體力與面力之間就一定會出現交點。當尺度小于毫米時，表面力將起到主要的作用。

2.2.2 微尺度和本征尺度間的比較

微構件的固有特征是表面力和體積力之間的比值非常大，同時表面積與體積間的比值也非常大。一般來講，這個比值和構件的非常小的截面尺寸是成反比例的，而微構件的幾何方面的特征尺度基本上是一微米的數量級。相比于宏觀構件而言，微構件的表面積和體積間的比值要大許多，這個現象證明了表面力與其他的表面效應是具有重要作用的。

2.3 微機械的表面力

存在與微機械中的一些液體物質或者是氣體物質在流動的過程中，會受到一定的表面力作用，由此產生了新的現象，然而宏觀尺度中確是被忽略的部分。表面力的研究至關重要，其主要來自于分子與分子間的作用力。本質上分子和分子間的相互作用力是一種短程力，所謂短程是指小于一納米，然而它的效果逐步累積就可以產生比0.1微米大的長程力。

三、微摩擦和微潤滑

相比傳統的機械，摩擦在微機械的運作過程中的問題顯得尤為突出。在微機械的系統中，對摩擦要求非常高。其一，帶動微機械運作的能源非常小，摩擦作為一種運作的阻力應該盡量減小；其二，微機械在一些特殊的情況下，可將摩擦力當作其驅動力，而這就使得摩擦力要穩定，可適時被控制與調整。

在傳統的機械系統中潤滑是依據傳統流體的潤滑理論的，而微機械中潤滑膜只存在于納米尺寸的間隙，潤滑膜的厚度只是幾個或者十幾個的分子層，不適用于傳統流體的潤滑理論。

四、燃燒和防熱問題

在微驅動器中有一種叫微推進器，微推進器廣泛應用于小型的衛星和小型的飛機器姿態控制方面，作用顯著。姿態控制一般是采用點火使微推進器有了微小的推力而達到目的的。對于由大量微推進器組成的微小的集成塊來講，點火存在危害，其一點火產生高溫，高溫擴散促使其他距離較近的推進器迅速點火；其二引發燃燒造成危險后果。所以集成塊幾何尺寸微小化以及集成塊數量受到了極大限制，且其材料方面的防熱要求就越嚴格。

五、計算機的虛擬與仿真

微機械的構件由于尺寸限制，其制造和組裝過程都是微操作，對操作的精度方面要求非常嚴格，最終能制造和組裝出高精度的微機械難度也非同一般。如果在微操作的過程中存在不適當的行為，不能達到非常高的精度標準，那么對微機械的表面阻力將會設置下埋伏，情況嚴重將會對微機械的運作產生影響，最終導致微機械的系統直接失效。現代是計算機時代，任何事物的發展都不能離開計算機技術，因此可以采用計算機的虛擬和仿真進行微機械的制造、微機械的組裝以及模擬微機械行為的仿真系統，這在研究微機械的過程中是一個重要的方法。

計算機的虛擬過程大致是由四個步驟組成：第一概念的設計，包括幾何和機械兩種概念的設計。幾何的概念設計需要被虛擬的原型形狀直觀化且容易被改變，而機械的概念設計需要原型有運動學的特征和性能、容易接近性以及可以裝配性。第二虛擬微構件的生產和控制過程，結合描述解析的模型和實體模型，才可進行加工過程與生產流程的仿真。第三虛擬組裝，包括對微構件虛擬對準及虛擬焊接。第四行為仿真，檢驗經虛擬組裝后的微機械的可靠性和其工作的效率。

六、結論和展望

從研究中可以得出以下結論，微機械的研究至關重要，其內容涉及到多方面，如微尺度的力學，潤滑學，摩擦學，燃燒和防熱，光電效應等等。機械設備趨向于微型化不是一朝一夕就可以完成的事，因此，微機械的研究需要各個領域的不斷發展與合作，相信在不久之后，機械設備微型化的研究將愈發趨向于成熟。

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