程研 徐建宁 杨晓军

摘要：随着科技的不断发展，机械设备的发展也逐渐趋于微型化。然而机械设备的微型化进程，却受到了尺度方面的困扰。这种困扰主要来自于微型构件自身的材料物理性能发生变化；机械朝向微型化发展时，表面力将起到主导效果；还有一些在微观角度上的拥有长程效应的短程力以及由其引发表面效应在微型构件中的作用。本文针对微机械的尺度效应引发的以上科学难题做了简要的阐述，希望为实现机械设备微型化提供一定的帮助。

关键词：微机械；尺度效应；微型构件；表面力；

一、微机械的发展背景

早在40多年之前，世界上著名的物理学家就提出了微机械的概念，微电子的技术发展给微机械的研究奠定了基础，在一些方面促进了微机械的研究，比如微机械中工艺的建立，微驱动器与微传感器的研发以及它们在液体与气体流动中的应用。但是对于微机械自身来说，其发展受到了一定的制约，导致发展速度相对较慢，几乎看不到已经成功研发出来的微机械方面的报道。主要的制约因素是，微机械设计和加工以及制造等方面的技术被人们掌握的程度还是远远不够的，此外存在一个非常关键的问题，即微机械强度和破坏的机理人们并没有充分的认识，原因就是科学家们面临一个以前从未有过的困难即尺度效应。

应当指出，微机械不是传统概念上的简单的几何尺寸变小，是因为机械的尺寸变得微小型之后，第一，构件的材料自身的物理性能和它对周围环境条件不断变化的反馈将会有大的改变；第二，微机械力学方面的特性以及其构件对不同的环境介质的行为和受到的体积及表面力关系等都发生了变化；此外，制造的具体工艺路线和技术上的难度造成构件之间产生几何尺寸误差与摩擦等因素，以上这些问题都远远超出传统上的科学理论范畴。所以，微机械是依据现代化的科学下产生的一门具有综合性质的产物。

二、微机械的力学特征

2.1 微机械的固体构件力学特性

随着机械的微型化提出，微型构件所受的力学特性就因与传统意义上的尺度存在很大不同而受到广泛的关注。不管使用的构件属于金属还是属于非金属，构件的尺度效应都会表现得更加强烈。如果材料是非金属，尤其是非金属的工程材料，例如陶瓷与混凝土，在宏观上两者的尺度效应就较为明显，并且早在16世纪就被认知。但是对于材料如果是金属的情况下，即便是成份较为纯正及结构较为完整的材料，其微米层次上也有尺度效应。近年来才出现了其尺度效应方面的具体实验观察和理论研究。

在微机械中，固体力学方面的问题除了以上尺度效应以外，还会涉及到位一个微构件与另外一个微构件间的很多破坏性机制，例如薄膜的脱胶和撕裂之类的问题等。针对这些问题，假设还是采取传统的理论分析，得出的结果和实验的结果会相差很多，但如果采用塑形应变的梯度理论对其分析，那么就可以针对产生的实验现象一个有效的预测，同时在一定的程度上也会作出合理解释。

2.2 尺度上的比较与表面力

微流动是靠表面力这样的形式对微机械的表面其作用，这是微机械是否可以正常工作的重要因素，或者人们选择微机械的技术手段对流动的特征进行控制。从研究上讲，微构件的尺度可以影响到具有长程效应的诸如微观分子和分子层次之类的短程的作用力。所以，研究微机械的表面力有着重要的意义。

2.2.1 表面力和体力间的比较

体力和表面力分别是根据特征尺度三次幂和一次或两次幂进行标度的。幂的次数不同，因此当尺度在减小时，表面力对体积力的重要程度就越高。构件的尺寸慢慢减小时，体力与面力之间就一定会出现交点。当尺度小于毫米时，表面力将起到主要的作用。

2.2.2 微尺度和本征尺度间的比较

微构件的固有特征是表面力和体积力之间的比值非常大，同时表面积与体积间的比值也非常大。一般来讲，这个比值和构件的非常小的截面尺寸是成反比例的，而微构件的几何方面的特征尺度基本上是一微米的数量级。相比于宏观构件而言，微构件的表面积和体积间的比值要大许多，这个现象证明了表面力与其他的表面效应是具有重要作用的。

2.3 微机械的表面力

存在与微机械中的一些液体物质或者是气体物质在流动的过程中，会受到一定的表面力作用，由此产生了新的现象，然而宏观尺度中确是被忽略的部分。表面力的研究至关重要，其主要来自于分子与分子间的作用力。本质上分子和分子间的相互作用力是一种短程力，所谓短程是指小于一纳米，然而它的效果逐步累积就可以产生比0.1微米大的长程力。

三、微摩擦和微润滑

相比传统的机械，摩擦在微机械的运作过程中的问题显得尤为突出。在微机械的系统中，对摩擦要求非常高。其一，带动微机械运作的能源非常小，摩擦作为一种运作的阻力应该尽量减小；其二，微机械在一些特殊的情况下，可将摩擦力当作其驱动力，而这就使得摩擦力要稳定，可适时被控制与调整。

在传统的机械系统中润滑是依据传统流体的润滑理论的，而微机械中润滑膜只存在于纳米尺寸的间隙，润滑膜的厚度只是几个或者十几个的分子层，不适用于传统流体的润滑理论。

四、燃烧和防热问题

在微驱动器中有一种叫微推进器，微推进器广泛应用于小型的卫星和小型的飞机器姿态控制方面，作用显著。姿态控制一般是采用点火使微推进器有了微小的推力而达到目的的。对于由大量微推进器组成的微小的集成块来讲，点火存在危害，其一点火产生高温，高温扩散促使其他距离较近的推进器迅速点火；其二引发燃烧造成危险后果。所以集成块几何尺寸微小化以及集成块数量受到了极大限制，且其材料方面的防热要求就越严格。

五、计算机的虚拟与仿真

微机械的构件由于尺寸限制，其制造和组装过程都是微操作，对操作的精度方面要求非常严格，最终能制造和组装出高精度的微机械难度也非同一般。如果在微操作的过程中存在不适当的行为，不能达到非常高的精度标准，那么对微机械的表面阻力将会设置下埋伏，情况严重将会对微机械的运作产生影响，最终导致微机械的系统直接失效。现代是计算机时代，任何事物的发展都不能离开计算机技术，因此可以采用计算机的虚拟和仿真进行微机械的制造、微机械的组装以及模拟微机械行为的仿真系统，这在研究微机械的过程中是一个重要的方法。

计算机的虚拟过程大致是由四个步骤组成：第一概念的设计，包括几何和机械两种概念的设计。几何的概念设计需要被虚拟的原型形状直观化且容易被改变，而机械的概念设计需要原型有运动学的特征和性能、容易接近性以及可以装配性。第二虚拟微构件的生产和控制过程，结合描述解析的模型和实体模型，才可进行加工过程与生产流程的仿真。第三虚拟组装，包括对微构件虚拟对准及虚拟焊接。第四行为仿真，检验经虚拟组装后的微机械的可靠性和其工作的效率。

六、结论和展望

从研究中可以得出以下结论，微机械的研究至关重要，其内容涉及到多方面，如微尺度的力学，润滑学，摩擦学，燃烧和防热，光电效应等等。机械设备趋向于微型化不是一朝一夕就可以完成的事，因此，微机械的研究需要各个领域的不断发展与合作，相信在不久之后，机械设备微型化的研究将愈发趋向于成熟。

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