程研 徐建寧 楊曉軍

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

關(guān)鍵詞：微機械；尺度效應(yīng)；微型構(gòu)件；表面力；

一、微機械的發(fā)展背景

早在40多年之前，世界上著名的物理學(xué)家就提出了微機械的概念，微電子的技術(shù)發(fā)展給微機械的研究奠定了基礎(chǔ)，在一些方面促進(jìn)了微機械的研究，比如微機械中工藝的建立，微驅(qū)動器與微傳感器的研發(fā)以及它們在液體與氣體流動中的應(yīng)用。但是對于微機械自身來說，其發(fā)展受到了一定的制約，導(dǎo)致發(fā)展速度相對較慢，幾乎看不到已經(jīng)成功研發(fā)出來的微機械方面的報道。主要的制約因素是，微機械設(shè)計和加工以及制造等方面的技術(shù)被人們掌握的程度還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，此外存在一個非常關(guān)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(rèn)識，原因就是科學(xué)家們面臨一個以前從未有過的困難即尺度效應(yīng)。

應(yīng)當(dāng)指出，微機械不是傳統(tǒng)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(gòu)件的材料自身的物理性能和它對周圍環(huán)境條件不斷變化的反饋將會有大的改變；第二，微機械力學(xué)方面的特性以及其構(gòu)件對不同的環(huán)境介質(zhì)的行為和受到的體積及表面力關(guān)系等都發(fā)生了變化；此外，制造的具體工藝路線和技術(shù)上的難度造成構(gòu)件之間產(chǎn)生幾何尺寸誤差與摩擦等因素，以上這些問題都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)上的科學(xué)理論范疇。所以，微機械是依據(jù)現(xiàn)代化的科學(xué)下產(chǎn)生的一門具有綜合性質(zhì)的產(chǎn)物。

二、微機械的力學(xué)特征

2.1 微機械的固體構(gòu)件力學(xué)特性

隨著機械的微型化提出，微型構(gòu)件所受的力學(xué)特性就因與傳統(tǒng)意義上的尺度存在很大不同而受到廣泛的關(guān)注。不管使用的構(gòu)件屬于金屬還是屬于非金屬，構(gòu)件的尺度效應(yīng)都會表現(xiàn)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(yīng)就較為明顯，并且早在16世紀(jì)就被認(rèn)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(jié)構(gòu)較為完整的材料，其微米層次上也有尺度效應(yīng)。近年來才出現(xiàn)了其尺度效應(yīng)方面的具體實驗觀察和理論研究。

在微機械中，固體力學(xué)方面的問題除了以上尺度效應(yīng)以外，還會涉及到位一個微構(gòu)件與另外一個微構(gòu)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(shè)還是采取傳統(tǒng)的理論分析，得出的結(jié)果和實驗的結(jié)果會相差很多，但如果采用塑形應(yīng)變的梯度理論對其分析，那么就可以針對產(chǎn)生的實驗現(xiàn)象一個有效的預(yù)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(shù)手段對流動的特征進(jìn)行控制。從研究上講，微構(gòu)件的尺度可以影響到具有長程效應(yīng)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(jù)特征尺度三次冪和一次或兩次冪進(jìn)行標(biāo)度的。冪的次數(shù)不同，因此當(dāng)尺度在減小時，表面力對體積力的重要程度就越高。構(gòu)件的尺寸慢慢減小時，體力與面力之間就一定會出現(xiàn)交點。當(dāng)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(gòu)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(gòu)件的非常小的截面尺寸是成反比例的，而微構(gòu)件的幾何方面的特征尺度基本上是一微米的數(shù)量級。相比于宏觀構(gòu)件而言，微構(gòu)件的表面積和體積間的比值要大許多，這個現(xiàn)象證明了表面力與其他的表面效應(yīng)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(zhì)或者是氣體物質(zhì)在流動的過程中，會受到一定的表面力作用，由此產(chǎn)生了新的現(xiàn)象，然而宏觀尺度中確是被忽略的部分。表面力的研究至關(guān)重要，其主要來自于分子與分子間的作用力。本質(zhì)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(chǎn)生比0.1微米大的長程力。

三、微摩擦和微潤滑

相比傳統(tǒng)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(tǒng)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(yīng)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(dāng)作其驅(qū)動力，而這就使得摩擦力要穩(wěn)定，可適時被控制與調(diào)整。

在傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)中潤滑是依據(jù)傳統(tǒng)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(tǒng)流體的潤滑理論。

四、燃燒和防熱問題

在微驅(qū)動器中有一種叫微推進(jìn)器，微推進(jìn)器廣泛應(yīng)用于小型的衛(wèi)星和小型的飛機器姿態(tài)控制方面，作用顯著。姿態(tài)控制一般是采用點火使微推進(jìn)器有了微小的推力而達(dá)到目的的。對于由大量微推進(jìn)器組成的微小的集成塊來講，點火存在危害，其一點火產(chǎn)生高溫，高溫擴散促使其他距離較近的推進(jìn)器迅速點火；其二引發(fā)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(shù)量受到了極大限制，且其材料方面的防熱要求就越嚴(yán)格。

五、計算機的虛擬與仿真

微機械的構(gòu)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(yán)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(dāng)?shù)男袨?，不能達(dá)到非常高的精度標(biāo)準(zhǔn)，那么對微機械的表面阻力將會設(shè)置下埋伏，情況嚴(yán)重將會對微機械的運作產(chǎn)生影響，最終導(dǎo)致微機械的系統(tǒng)直接失效。現(xiàn)代是計算機時代，任何事物的發(fā)展都不能離開計算機技術(shù)，因此可以采用計算機的虛擬和仿真進(jìn)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(tǒng)，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(shè)計，包括幾何和機械兩種概念的設(shè)計。幾何的概念設(shè)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(shè)計需要原型有運動學(xué)的特征和性能、容易接近性以及可以裝配性。第二虛擬微構(gòu)件的生產(chǎn)和控制過程，結(jié)合描述解析的模型和實體模型，才可進(jìn)行加工過程與生產(chǎn)流程的仿真。第三虛擬組裝，包括對微構(gòu)件虛擬對準(zhǔn)及虛擬焊接。第四行為仿真，檢驗經(jīng)虛擬組裝后的微機械的可靠性和其工作的效率。

六、結(jié)論和展望

從研究中可以得出以下結(jié)論，微機械的研究至關(guān)重要，其內(nèi)容涉及到多方面，如微尺度的力學(xué)，潤滑學(xué)，摩擦學(xué)，燃燒和防熱，光電效應(yīng)等等。機械設(shè)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(lǐng)域的不斷發(fā)展與合作，相信在不久之后，機械設(shè)備微型化的研究將愈發(fā)趨向于成熟。

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