程研 徐建宁 杨晓军
摘要：随着科学技术的不断发展，机械设备的发展也逐渐趋于微型化。然而，机械设备的微型化过程却受到规模的困扰。这个问题主要来自于微构件本身材料物理性能的变化；当机械向微型化发展时，表面力将发挥主导作用；微观角度的短程力和表面效应在微构件中的作用。本文简要阐述了上述由微机械尺度效应引起的科学问题，希望机械设备的微型化提供一定的帮助。
关键词:微机械；尺度效应；微构件；表面力；
一、微机械的发展背景
早在40多年之前，世界上着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。然而，对于微机械本身来说，其发展受到了一定程度的限制，导致发展速度相对较慢，几乎没有成功的微机械报告。主要限制因素是人们对微机械设计、加工、制造等技术的掌握程度远远不够。此外，还有一个非常关键的问题，即人们对微机械强度和破坏性机制没有充分了解，因为科学家面临着以前从未见过的困难，即规模效应。
应该指出的是，微机械并不是传统概念上简单的几何尺寸变小，因为机械尺寸变小后，首先，部件材料本身的物理性能及其对周围环境条件变化的反馈会发生很大的变化；其次，微机械的机械特性及其部件对不同环境介质的行为、体积和表面力关系发生了变化；此外，具体的工艺路线和技术难度导致构件之间的几何误差和摩擦，这些问题远远超出了传统的科学理论。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、微机械的力学特性
2.1 微机械固体构件的力学特性
随着机械微型化的提出，微构件的机械特性因其与传统尺度的巨大差异而受到广泛关注。无论使用的构件是金属还是非金属，构件的尺度效应都会更强。如果材料是非金属，特别是陶瓷和混凝土等非金属工程材料，宏观上两者的规模效应更为明显，早在16世纪就得到认可。但对于金属材料，即使是成分相对纯净、结构相对完整的材料，其微米水平也有尺度效应。具体的实验观察和理论研究是近年来才出现的。
在微机械中，除上述尺度效应外，固体力学问题还涉及到位一个微构件与另一个微构件之间的许多破坏性机制，如薄膜脱胶和撕裂。鉴于这些问题，假设采用传统的理论分析，结果与实验结果会有很大的不同，但如果采用塑形应变梯度理论进行分析，可以有效预测实验现象，并在一定程度上做出合理的解释。
2.2 比较尺度和表面力
微流是微机面力的形式对微机表面的作用，这是微机能否正常工作的重要因素，或者人们选择微机的技术手段来控制流的特性。在研究中，微组件的规模会影响微分子和分子水平等具有长期效应的短程力。因此，研究微机表面力具有重要意义。
2.2.1 表面力与体力的比较
体力和表面力是根据特征尺度三次和一次或两次来标准的。功率的数量是不同的，所以当尺度减小时，表面力对体积力的重要性就越高。当构件的尺寸慢慢减小时，体力和面力之间就会有一个交点。当尺度小于mm时，表面力将发挥主要作用。
2.2.2 与本征尺度的比较
微构件的固有特点是表面力和体积力之间的比例很大，表面积和体积之间的比例也很大。一般来说，这个比值与构件的截面尺寸成反比，而微构件的几何特征尺度基本上是一微米的数量级。与宏观构件相比，微构件的表面积与体积之间的比例要大得多，这证明了表面力和其他表面效应起着重要作用。
2.3 微机表面力
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。表面力的研究主要来自分子和分子之间的作用力。本质上，分子和分子之间的相互作用力是一种短程力。所谓短程是指小于1纳米，但其效果可以逐渐积累.长程力1微米大。
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。
传统机械系统中的润滑是基于传统流体的润滑理论，而微机械中的润滑膜只存在于纳米尺寸的间隙中。润滑膜的厚度只有几个或十个分子层，不适用于传统流体的润滑理论。
四、燃烧和防热问题
微驱动器中有一种叫做微推进器，广泛应用于小卫星和小飞机姿态控制，效果显著。姿势控制通常是通过点火使微推进器具有微小的推力来实现的。对于由大量微推进器组成的小集成块，点火是有害的。一是点火产生高温，高温扩散促使其他靠近推进器快速点火；二是燃烧造成危险后果。因此，集成块的几何尺寸和数量受到很大限制，材料的防热要求越严格。
5.计算机的虚拟和模拟
由于尺寸的限制，微机械部件的制造和组装过程是微操作，对操作精度有非常严格的要求，最终制造和组装高精度微机械的难度也非同寻常。如果在微操作过程中行为不当，不能达到很高的精度标准，则设置微机表面阻力，严重影响微机操作，最终导致微机系统直接故障。现代是计算机时代，任何事物的发展都离不开计算机技术。因此，在研究微机械的过程中，可以利用计算机的虚拟和模拟来制造、组装和模拟微机械行为的模拟系统。
计算机的虚拟过程大致由四个步骤组成：第一个概念的设计，包括几何和机械。几何概念设计需要虚拟原型形状直观，容易改变，机械概念设计需要具有运动特性和性能、易接近性和装配性。第二，虚拟微构件的生产和控制过程，结合描述分析的模型和实体模型，可以模拟加工过程和生产过程。第三种虚拟组装，包括虚拟对准构件和虚拟焊接。第四种行为模拟，检验虚拟组装后微机的可靠性及其工作效率。
六、结论与展望
从研究中可以得出以下结论，微机械的研究非常重要，涉及微机械、润滑、摩擦、燃烧防热、光电效应等多个方面。机械设备往往是微型的，不能在一夜之间完成。因此，微机械的研究需要各个领域的持续发展和合作。我相信，在不久的将来，机械设备的微型研究将变得越来越成熟。
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