表面微细加工与仿生制造：力学问题探究

微电子工业的发展在很大程度上取决于微细加工技术的发展，不仅如此，在其他许多制造部门中，涉及加工尺度从微米至纳米量级的精密、超精密加工技术也将越来越多。例如：用于汽车、飞机、精密机械的微米级精密加工；用于磁盘磁鼓制造的亚微米级精密加工；用于超精密光电子器件的纳米级精密加工等。随着高新技术的不断涌现，大量先进产品对加工技术的要求越来越高，在精细化上已从微米级、亚微米级发展到纳米级，表面微细加工技术的重要性日益提高。

所谓表面微细加工技术，是一种加工尺度从微米到纳米量级的制造微小尺寸元器件或薄膜图形的先进制造技术，是纳米表面工程加工技术的一个重要组成部分。从广义的角度来讲，微细加工包括各种传统精密加工方法和与传统精密加工方法完全不同的方法，如切削加工、磨料加工、电火花加工、电解加工、化学加工、超声波加工、微波加工、等离子体加工、外延生产、激光加工、电子束加工、粒子束加工、光刻加工、电铸加工等。从狭义的角度来讲，微细加工主要是大规模和超大规模、特大规模集成电路的发展基础，也是半导体微波技术、声表面波技术、光集成等许多先进技术的发展基础。微细加工发展的前锋已经与原子物理学接壤，制造工程技术人员需要进入物理的微观世界，直接与少量的、甚至单个的分子、原子打交道，图2-35所示为加工精度的发展。

图2-35 加工精度的发展(www.xing528.com)

当制造活动由宏观领域进入到物理的微观世界时，制造系统的固有非线性、非平衡性及随机性等复杂性的表现使得各种线性理论不再能正确无误地描述纳米尺度上的工程现象和规律，各种非线性模型或非线性理论被提出，并得到充分的研究，仿生制造及其相关问题的研究就是其中的一个研究热点。仿生制造是根据生命现象与制造过程之间的内在相似性，模仿生物的组织结构和运行模式的制造系统与制造过程。仿生制造的根本任务就是模仿与借鉴生物的“自组织”机制和功能，来完善自己的制造系统、制造过程和产品。

纳米表面工程中表面微细加工与仿生制造相关力学问题研究，是微纳米及仿生力学研究的新型分支。它是应用力学原理和方法分析表面微细加工及仿生设计制造中的力学问题，其研究范围从零维纳米超微粉末到三维纳米结构，从生物器官到整体系统，从动物的鸟飞、鱼游、昆虫纤毛运动到植物体内的微流输运，从微机电器件到大型工业装备的微/纳米表面工程等。在过去几年中，仿生机械表面激光微细加工与仿生黏附及摩擦力学的理论与实验研究已成为人们关注的焦点^[114-118]，而今后在表面微细加工成形工艺力学、表面仿生材料的设计与力学建模及分析、表面仿生材料的实验测量和性能表征、表面仿生材料的多尺度计算方法、表面仿生材料的应用等问题的研究将成为纳米表面工程与其他学科进行进一步交叉研究的热点。