纳米技术在模具上的应用

上一篇 / 下一篇  2011-08-24 10:05:48

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纳米粉体或粒子的制造是目前纳米技术最为成功的商业化应用,但事实上它并不是一个突破性的发明,而是利用过去传统的微细加工技术,然后引入纳米概念,所创造出来的新技术概念。若要提到突破性、前瞻性的创新发明,纳米零组件或纳米机械设备或许更为贴切一些,在这一方面,科学家的早期的构想是,利用具有人工智能的纳米机器人,以实现纳米产品自动化、量产化的目标,也就是利用纳米机器人,直接按照产品的形状进行原子或分子排列,从而实现无模生产方式。然而以目前的技术来说,虽然用来操控原子的装置,如STM或AFM已发明出来并成功的应用,但事实上它仍然是非常高难度的技术,不但动作流程复杂,且成本极高,目前的技术水准仍只能用来堆积平面的图案。论及纳米已发明出来并成功的应用,论及纳米3D对象甚或结构复杂的原子机器人,尚有一段很长的路要走。

  既然以STM或纳米机器人来生产是不切实际的想法,那是否有其它方式可以达到量产纳米产品的目标呢?最简单的方法即是采用纳米模具作为生产机具。

  纳米模具的定义纳米模具的定义有两种:
  1、精度及尺寸达到纳米级的模具,例如纳米碳管、纳米塑料模具;
  2、利用表面处理,在模具表面被覆一层纳米级镀膜材料,以增强模具强度,减少磨损,延长使用寿命,这样所得的模具亦可称之为纳米模具。不过,严格来说第一种定义较为贴切,第二种解释则与一般的表面处理没有多大差别。

  纳米碳管模具由日本NEC公司饭岛澄男所发现的纳米碳管(CNT),是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米级,轴向尺寸为微米级,故其长径比很大,常达千倍以上)的一维纳米材料,由于CNT具有很多优异而独特的光学、电学和机械性质,具有极大的应用潜力,是目前世界各国争相研究的重点材料之一。

  由于CNT是中空的,且可以被“溶解”,因此适合作为纳米模具的素材,这也是CNT的主要应用之一。CNT模具利用诸如金等合适金属灌满碳管后,接着把碳层腐蚀掉,可以制作出使用在电子连接器上的纳米导线和具有高速选择性的“分子筛”。目前,利用CNT制得纳米金属线是最为可靠的方法。纳米模具除了CNT 以外,也可以采用极短波长的辐射波制成纳米模具,并采用特殊加工制成精度达纳米级的纳米产品。日本利用该方法制成超微塑料模具,而后浸泡在电镀液里,从电镀液中析出金属,然后在模具中形成精细零件,产品的精度可达30~50nm。

  结合纳米技术的模具根据纳米模具定义的第二种解释,其范畴非常广泛。工模具一般需要承受高温、高压、高摩擦以及交变应力和局部应力集中作用,制程环境非常恶劣,因此模具常由于磨损、压塌、裂纹、条纹、塑性变形、弯曲、折断而失效报废。利用纳米技术,运用于工模具,可以有效排除造成模具报废的原因,进而提高模具寿命。

  采用的具体方法有下列两种:

  1、在挤压筒内表面、模具工作带等工模具易磨损处采用陶瓷纳米复合薄膜材料被覆处理,纳米薄膜的致密性和高强度性能既可提高工模具强度,又能抗磨损。
  
  2、润滑品质的好坏,是模具是否失效的影响因素之一,尤其在难变形挤压形(钛合金、钢铁钛合金、钢铁) ,冲压等金属成形技术中更是如此。如果在工模具内表面涂布纳米润滑剂,可以大幅增强材料的可加工性。因为纳米润滑剂能够承受高压,在加工温度范围内具有足够的黏性和表面吸附能力、而且具有摩擦系数低(如碳60构成的纳米颗粒具 有自润滑效应)、高温稳定性和抗腐蚀性高等优点。

  纳米技术目前以及未来,均将致力于研究制造达到原子精度的纳米结构材料及产品,预料未来纳米模具技术将有突破性的发展,研发出多种纳米模具制造方法以及纳米材料应用于模具的处理技术,甚至可能实现由纳米机器人按照科学家所提出的纳米设计路径,快速且自动进行超精微产品加工,真正达到无模生产和超精微产品商业化的境界。


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