簡介:精密和超精密加工技術(shù),華南理工大學(xué)陳松茂講師,第八章微細加工技術(shù)和納米技術(shù),本章主要提要,81微細加工技術(shù)的出現(xiàn),一、微細加工出現(xiàn)的歷史背景精密機械零件、儀表零件的微細加工如鐘表、計量儀器、醫(yī)療器械、光學(xué)儀器、微型電機、微型齒輪等電子設(shè)備微型化和集成化的需要如計算機、微電子技術(shù)、航空航天、大規(guī)模集成電路等現(xiàn)代科技的發(fā)展,已經(jīng)形成一門新興學(xué)科,即微小機械學(xué)如微型電機軸徑01MM;微型齒輪外徑0125MM,2,微小機械學(xué)發(fā)展,微機械或微電子機械系統(tǒng)MEMS是20世紀80年代后期發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。它給國民經(jīng)濟、人民生活和國防、軍事等帶來了深遠的影響,被列為21世紀關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著微/納米科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展,以形狀尺寸微小或操作尺度極小為特征的微機械已成為人們在微觀領(lǐng)域認識和改造客觀世界的一種高新技術(shù)。微機械由于具有能夠在狹小空間內(nèi)進行作業(yè)而又不擾亂工作環(huán)境和對象的特點,在航空航天、精密儀器、生物醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用潛力,受到世界各國的高度重視。微機械涉及的基本技術(shù)主要有微機械設(shè)計;微機械材料;微細加工;集成技術(shù);微裝配和封接;微測量;微能源;微系統(tǒng)控制等。微機械的制造和生產(chǎn)離不開微細加工技術(shù)。,3,MEMS是一項國際公認的戰(zhàn)略高技術(shù)。,1987年,UCBERKELEY研制的硅靜電馬達轉(zhuǎn)子直徑120微米,電容間隙2微米問世,引起轟動。專家預(yù)言,它的意義可與當年晶體管的發(fā)明相比。,4,機械的微型化及相關(guān)的制造技術(shù),傳統(tǒng)機械,納米機械,微小型機械,,,傳統(tǒng)制造技術(shù),微細制造技術(shù)MEMS技術(shù),納米制造技術(shù),,5,,,微型機床,6,放在手提箱里的機械廠,7,8,82微細加工的概念及其特點,東京工業(yè)大學(xué)的谷口紀男教授首先提出了納米技術(shù)術(shù)語,明確提出以納米精度為超精密加工的奮斗目標。所謂微細加工技術(shù)就是指能夠制造微小尺寸零件的加工技術(shù)的總稱。廣義地講,微細加工技術(shù)包含了各種傳統(tǒng)精密加工方法和與其原理截然不同的新方法,如微細切削磨料加工、微細特種加工、半導(dǎo)體工藝等;狹義地講,微細加工技術(shù)是在半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,微細加工技術(shù)主要是指半導(dǎo)體集成電路的微細制造技術(shù),如氣相沉積、熱氧化、光刻、離子束濺射、真空蒸鍍等。,9,目前微細加工領(lǐng)域的幾大流派以美國為代表的硅基MEMS技術(shù)以德國為代表的LIGA技術(shù)以日本為代表的機械加工方法的微細化他們的研究與應(yīng)用情況基本代表了國際微細加工的水平和方向,應(yīng)密切關(guān)注。,10,,微細加工與常規(guī)尺寸的加工的機理是截然不同的。微細加工與一般尺度加工的主要區(qū)別體現(xiàn)在1加工精度的表示方法不同。在一般尺度加工中,加工精度常用相對精度表示;而在微細加工中,其加工精度則用絕對精度表示。加工單位概念的引入。2加工機理存在很大的差異。由于在微細加工中加工單位的急劇減小,此時必須考慮晶粒在加工中的作用。3加工特征明顯不同。一般加工以尺寸、形狀、位置精度為特征;微細加工則由于其加工對象的微小型化,目前多以分離或結(jié)合原子、分子為特征。,11,,微細加工作為精密加工領(lǐng)域中的一個極重要的關(guān)鍵技術(shù),目前有如下的幾個特點1微細加工和超微細加工是多學(xué)科的制造系統(tǒng)工程;2微細加工和超微細加工是多學(xué)科的綜合高新技術(shù);3平面工藝是微細加工的工藝基礎(chǔ);4微細加工技術(shù)和精密加工技術(shù)互補;5微細加工和超微細加工與自動化技術(shù)聯(lián)系緊密;6微細加工檢測一體化。,12,83微細加工機理,一、切削厚度與材料剪切應(yīng)力關(guān)系在微切削時,切削往往在晶粒內(nèi)進行,切削力一定要超過晶體內(nèi)部的分子、原子結(jié)合力,其單位面積的切削阻力N/MM2急劇增大,刀刃上所承受的剪切應(yīng)力變得非常大,從而在單位面積上會產(chǎn)生很大的熱量,使刀刃尖端局部區(qū)域的溫度極高,因此要求采用耐熱性高、高溫硬度高、耐磨性強、高溫強度好的刀刃材料,即超高硬度材料,最常用的是金剛石等。,13,二、材料缺陷分布的影響材料微觀缺陷分布或材質(zhì)不均勻性,可以歸納為以下幾種情況晶格原子~106MM在晶格原子空間的破壞就是把原子一個個去除。點缺陷106~104MM點缺陷就是在晶粒結(jié)構(gòu)中存在著空位和填隙原子。點缺陷空間的破壞就是以點缺陷為起點來增加晶格缺陷的破壞。位錯缺陷104~102MM位錯缺陷就是晶格位移和微裂紋,它在晶體中呈連續(xù)的線狀分布,故又稱為線缺陷。在晶體內(nèi)部,一般情況下大約1?M左右的間隔內(nèi)就有一個位錯缺陷。晶界、空隙和裂紋102~1MM它們的破壞是以缺陷面為基礎(chǔ)的晶粒間破壞。缺口1MM以上缺口空間的破壞是由于拉應(yīng)力集中而引起的破壞。在微切削去除時,當應(yīng)力作用的區(qū)域在某個缺陷空間范圍內(nèi),則將以與該區(qū)域相應(yīng)的破壞方式而破壞。各種破壞方式所需的加工能量也是不同的。,14,三、不同微細加工方法的加工機理,根據(jù)各種方法的加工機理的不同,微細加工可大致分為3大類分離加工??將材料的某一部分分離出去的加工方式,如切削、分解、刻蝕、濺射等。大致可分為切削加工、磨料加工、特種加工及復(fù)合加工等。結(jié)合加工??同種或不同種材料的附加或相互結(jié)合的加工方式,如蒸鍍、沉積、生長、滲入等??煞譃楦街⒆⑷牒徒雍先悺8街侵冈诓牧匣w上附加一層材料;注入是指材料表層經(jīng)處理后產(chǎn)生物理、化學(xué)、力學(xué)性能的改變,也可稱之為表面改性;接合則是指焊接、粘接等。變形加工??使材料形狀發(fā)生改變的加工方式,如塑性變形加工、流體變形加工等。,15,84微細加工方法,一、高能束流微細特種加工技術(shù)高能束流加工是利用能量密度很高的電子束、激光束或離子束等去除工件材料的特種加工方法的總稱。特點與應(yīng)用屬于非接觸加工,無成形工具,而且?guī)缀蹩梢约庸と魏尾牧?,在精微加工、航空航天、電子、化工等領(lǐng)域中應(yīng)用極廣。多學(xué)科交叉其研究內(nèi)容極為豐富,涉及光學(xué)、電學(xué)、熱力學(xué)、冶金學(xué)、金屬物理、流體力學(xué)、材料科學(xué)、真空學(xué)、機械設(shè)計和自動控制以及計算機技術(shù)等多種學(xué)科,是一種典型的多學(xué)科交叉技術(shù)。,16,1、電子束微細加工技術(shù),電子束加工原理1工件2電子束3偏轉(zhuǎn)線圈4電磁透鏡,電子束加工是在真空條件下,利用聚焦后能量密度極高106~109W/CM2的電子束,以極高的速度沖擊到工件表面極小的面積上,在很短的時間幾分之一微秒內(nèi),其能量的大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?,使被沖擊部分的工件材料達到幾千攝氏度以上的高溫,從而引起材料的局部熔化和氣化,被真空系統(tǒng)抽走。,優(yōu)點1束徑小、能量密度高。能聚焦到01ΜM,功率密度可達109W/CM2量級。2可加工材料的范圍廣。對非加工部分的熱影響小,對脆性、韌性、導(dǎo)體、非導(dǎo)體及半導(dǎo)體材料都可加工。3加工效率高。每秒鐘可以在25MM厚的鋼板上鉆50個直徑為04MM的孔。4控制性能好。5電子束加工溫度容易控制。6污染小。缺點必須在真空中進行,需要一整套專用設(shè)備和真空系統(tǒng),價格較貴。,17,根據(jù)其功率密度和能量注入時間的不同,電子束加工可用于打孔、切割、蝕刻、焊接、熱處理和光刻加工等。歸納起來,電子束在微細加工領(lǐng)域中的應(yīng)用分為兩大類電子束熱微細加工和電子束化學(xué)微細加工。,電子束微細加工的應(yīng)用,18,應(yīng)用一電子束熱微細加工,第一類為電子束熱微細加工,電子束的能量較大30KEV?幾百KEV,又稱為高能量密度電子束加工,它是利用電子束的熱效應(yīng),將電子束的動能在材料表面轉(zhuǎn)換成熱能而對材料實施加工的。,19,電子束打孔,目前電子束打孔的最小直徑已經(jīng)可達Φ0001MM左右,而且還能進行深小孔加工,如孔徑在0509MM時,其最大孔深已超過10MM,即孔的深徑比大于151。與其它微孔加工方法相比,電子束的打孔效率極高,通常每秒可加工幾十至幾萬個孔。利用電子束打孔速度快的特點,可以實現(xiàn)在薄板零件上快速加工高密度孔,這是電子束微細加工的一個非常重要的特點。電子束打孔已在航空航天、電子、化纖以及制革等工業(yè)生產(chǎn)中得到實際應(yīng)用。,,20,,利用電子束在磁場中偏轉(zhuǎn)的原理,使電子束在工件內(nèi)部偏轉(zhuǎn),還可以利用電子束加工彎孔和曲面。,電子束切割,21,,,,,電子束焊接是利用電子束作為熱源的一種焊接工藝,在焊接不同的金屬和高熔點金屬方面顯示了很大的優(yōu)越性,已成為工業(yè)生產(chǎn)中的重要特種工藝之一。電子束焊接具有以下的工藝特點1焊接深寬比高。2焊接速度高,易于實現(xiàn)高速自動化。3熱變形小。4焊縫物理性能好。5工藝適應(yīng)性強。6焊接材料范圍廣。,電子束微細焊接,22,第二類為電子束化學(xué)微細加工,電子束的能量較小,一般小于30KEV,主要用于大規(guī)模集成電路LSI和超大規(guī)模集成電路VLSI復(fù)雜圖形的制備以及光刻掩膜圖形的制備。它利用電子束流的非熱效應(yīng),功率密度較小的電子束流與電子膠又稱電子抗蝕劑相互作用,電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,產(chǎn)生輻射化學(xué)或物理效應(yīng),使電子膠的分子鏈被切斷或重新組合而形成分子量的變化以實現(xiàn)電子束曝光。包括電子束掃描曝光和電子束投影曝光。電子束曝光微細加工技術(shù),已經(jīng)成為生產(chǎn)集成電路元件的關(guān)鍵性加工手段。,應(yīng)用二電子束化學(xué)微細加工,23,,目前微細加工中采用的曝光技術(shù)主要有電子束曝光技術(shù)、離子束曝光技術(shù)、X射線曝光技術(shù)、準分子激光曝光技術(shù)等。其中離子束曝光技術(shù)具有最高的分辨率;紫外準分子激光曝光技術(shù)具有最佳的經(jīng)濟性;電子束曝光技術(shù)則代表了最成熟的亞微米級曝光技術(shù)。,電子束曝光微細加工技術(shù),24,,電子束曝光主要分為兩類掃描電子束曝光,又稱電子束線曝光;投影電子束曝光,又稱電子束面曝光。電子束掃描是將聚焦到小于1ΜM的電子束斑在大約05?5MM的范圍內(nèi)按程序掃描,可曝光出任意圖形。掃描電子束曝光除了可以直接描畫亞微米圖形之外,還可以制作掩膜,這是其得以迅速發(fā)展的原因之一。投影電子束曝光的方法是使電子束先通過原版,再按比例縮小投影到電致抗蝕劑上進行大規(guī)模集成電路圖形的曝光。它可以在幾毫米見方的硅片上安排十萬個以上晶體管或類似的元件。投影電子束曝光技術(shù)具有高分辨率和生產(chǎn)效率高、成本低的優(yōu)點。,25,,,中科院電工研究所于2000年研制的DY7電子束光刻機01ΜM電子束曝光系統(tǒng)制作的“硅表面人工微結(jié)構(gòu)”的PMMA膠圖形,其最小線寬為80NM。,電子束曝光微細加工技術(shù),26,離子束加工是利用離子束對材料進行成形或表面改性的加工方法,其加工原理和電子束加工基本類似,也是在真空條件下,將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速聚焦,使之打到工件表面從而對工件進行加工。離子束加工與電子束加工的本質(zhì)區(qū)別在于在離子束微細加工時,加速的物質(zhì)是帶正電的離子而不是電子,其質(zhì)量比電子大數(shù)千萬倍,如氬離子的質(zhì)量是電子的72萬倍,因此當離子被加速到較高速度時,離子束比電子束具有更大的撞擊動能;其次,電子束加工主要是靠熱效應(yīng)進行加工,而離子束加工主要是通過離子撞擊工件材料時引起的破壞、分離或直接將離子注入加工表面等機械作用進行加工。,2、離子束微細加工技術(shù),27,離子束加工按照其所利用的物理效應(yīng)相達到目的的不同,可以分為四類,即利用離子撞擊和濺射效應(yīng)的離子刻蝕、離子濺射沉積和離子鍍,以及利用注入效應(yīng)的離子注入。,,A離子刻蝕B濺射沉積C離子鍍D離子注入,離子束加工的分類,28,加工精度高,易于精確控制??杉庸さ牟牧戏秶鷱V泛。加工表面質(zhì)量高。離子束加工設(shè)備費用貴、成本高,加工效率較低。,離子束加工的特點,29,目前常用的離子束微細加工技術(shù)主要有離子束曝光、刻蝕、鍍膜、注入、退火、打孔、切割、凈化等。離子束刻蝕離子束濺射刻蝕、反應(yīng)離子束刻蝕、等離子體刻蝕離子濺射鍍膜離子濺射鍍膜工藝適用于合金膜和化合物膜等的鍍制。離子鍍離子鍍是在真空鍍膜和濺射鍍膜的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種鍍膜技術(shù)。離子注入離子注入是將工件放在離子注入機的真空靶中,在幾十至幾百千伏的電壓下,把所需元素的離子直接注入工件表面。離子束加工裝置與電子束加工裝置類似,主要包括離子源、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等部分。主要的不同點表現(xiàn)在離子源系統(tǒng)。,離子束微細加工方法及裝置,30,激光作為一種新型光源,它和普通光源的區(qū)別在于發(fā)光的微觀機制不同。激光的光發(fā)射則是以受激輻射為主,各個發(fā)光中心發(fā)出的光波都具有相同的頻率、方向、偏振態(tài)和嚴格的相位關(guān)系。由于這種基本差別,激光具有強度或亮度高、單色性好、相干性好和方向性好這些突出優(yōu)點。激光加工主要有以下特點1加工精度高。2加工材料范圍廣泛。3加工性能好。4加工速度快、熱影響區(qū)小、效率高。,3、激光束微細加工技術(shù),31,激光束微細加工技術(shù),32,當能量密度極高的激光束照射在加工表面時,一部分從材料表面反射,一部分透入材料內(nèi),其光能被吸收,并轉(zhuǎn)換為熱能,是照射區(qū)域的溫度迅速升高、熔化、氣化和熔融濺出而去除材料??梢哉f,激光加工的機理是熱效應(yīng),激光加工的機理,33,1激光打孔用透鏡將激光能量聚焦到工件表面的微小區(qū)域上,可使物質(zhì)迅速氣化而成微孔。已廣泛應(yīng)用于火箭發(fā)動機和柴油機的燃料噴嘴加工、化纖噴絲板噴絲孔、鐘表及儀表中的寶石軸承打孔、金剛石拉絲模加工等方面。激光打孔的效率極高,適合于自動化連續(xù)加工,加工的孔徑可以小于001MM,深徑比可達501以上。,激光加工方法,34,YAG激光加工系統(tǒng)加工的25ΜM小孔,激光加工方法,35,2激光切割激光切割的原理與激光打孔基本相同。所不同的是,工件與激光束之間需要相對移動,通過控制二者的相對運動即可切割出不同形狀和尺寸的窄縫與工件。激光切割大都采用重復(fù)頻率較高的脈沖激光器或連續(xù)輸出的激光器。但連續(xù)輸出的激光束會因熱傳導(dǎo)而使切割效率降低,同時熱影響層也較深。因此,在精密機械加工中,一般都采用高重復(fù)頻率的脈沖激光器。YAG激光器輸出的激光已成功地應(yīng)用于半導(dǎo)體劃片,重復(fù)頻率為5?20HZ,劃片速度為10?30MM/S,寬度為006MM,成品率達99%以上,比金剛石劃片優(yōu)越得多,可將一平方厘米的硅片切割幾十個集成電路塊或幾百個晶體管管芯。,36,3激光焊接激光焊接是將激光束直接照射到材料表面,通過激光與材料相互作用,使材料內(nèi)部局部熔化這一點與激光打孔、切割時的蒸發(fā)不同實現(xiàn)焊接的。激光焊接可分為脈沖激光焊接和連續(xù)激光焊接等;激光焊接按其熱力學(xué)機制又可分為激光熱傳導(dǎo)焊接和激光深穿透焊接等。激光焊接與常規(guī)焊接方法相比具有如下特點1可對高熔點、難熔金屬或兩種不同金屬材料進行焊接。2聚焦光斑小,加熱速度快,作用時間短,熱影響區(qū)小,熱變形可以忽略。3激光焊接屬于非接觸焊接,無機械應(yīng)力和機械變形、能透過透光物質(zhì)對密封器內(nèi)工件進行焊接。4激光焊接裝置容易與計算機聯(lián)機,能精確定位,實現(xiàn)自動焊接。,37,4激光表面改性利用激光對材料表面進行處理可改變其物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和金相組織,從而改善材料表面的物理、力學(xué)、化學(xué)性質(zhì),如硬度、耐磨性、耐疲勞性、耐腐蝕性等,稱為激光表面改性技術(shù)。5激光存儲利用激光進行視頻、音頻、文字材料、計算機信息等的存取。,38,激光加工的基本設(shè)備包括激光器、電源、光學(xué)系統(tǒng)及機械系統(tǒng)等四大部分。激光器目前常用的激光器按激活介質(zhì)的種類可以分為固體激光器和氣體激光器。用于激光加工的固體激光器通常是摻釹釔鋁石榴石激光器簡稱NDYAG激光器、釹玻璃激光器和紅寶石激光器等,氣體激光器通常是CO2激光器和準分子激光器。,激光加工設(shè)備,39,1固體激光器固體激光器一般采用光激勵,能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)較多。光的激勵能量大部分轉(zhuǎn)換為熱能,所以效率低。為了避免固體介質(zhì)過熱,固體激光器通常多采用脈沖工作方式,并用合適的冷卻裝置,較少采用連續(xù)工作方式。用于激光熱加工的固體激光器主要有三種,即紅寶石激光器、釹玻璃激光器和NDYAG激光器。,,固體激光器結(jié)構(gòu)示意圖L、全反射鏡2、工作物質(zhì)3、玻璃套管4、部分反射鏡5、聚光鏡6、氙燈7、電源,40,2氣體激光器氣體激光器一般采用電激勵,因其效率高、壽命長、連續(xù)輸出功率大,所以廣泛用于切割、焊接,熱處理等加工。常用于材料加工的氣體激光器有二氧化碳激光器、氬離子激光器和準分子激光器等。二氧化碳激光器連續(xù)輸出功率可達萬瓦,是目前連續(xù)輸出功率最高的氣體激光器。氬離子激光器是惰性氣體氬AR通過氣體放電,使氬原子電離并激發(fā),實現(xiàn)離子數(shù)反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生激光,由于氬激光器波長短,發(fā)散角小,所以可用于精密微細加工,如用于激光存貯光盤基板蝕刻制造等。準分子激光的波長極短Λ=193NM,聚焦光斑直徑可達微米級,光束能量密度可達108?1010W/CM2。與利用熱效應(yīng)的CO2、YAG等激光相比,準分子激光基本屬于冷光源,從而在微細加工方面極具發(fā)展?jié)摿Α?41,光刻加工技術(shù),光刻加工又稱光刻蝕加工,是刻蝕加工的一種,該技術(shù)主要是針對集成電路制作中得到高精度微細線條所構(gòu)成的高密度微細復(fù)雜圖形。光刻加工可以分為兩個階段,第一階段為原版制作,生成工作原版或工作掩膜;第二階段為光刻過程,兩者統(tǒng)稱為光刻加工。光刻的基本原理是﹕利用光致抗蝕劑或稱光刻膠感光后因光化學(xué)反應(yīng)而形成耐蝕性的特點﹐將掩模板上的圖形刻制到被加工表面上。,42,,電子束光刻大規(guī)模集成電路加工過程,43,85集成電路與印刷電路板制作技術(shù),集成電路一般是按集成度和最小線條寬度來分類,集成度是指在規(guī)定大小的一塊單元芯片上所包含的電子元件數(shù)。集成電路要求在微小面積的半導(dǎo)體材料商能容納更多的電子元件,以形成功能復(fù)雜而又完善的電路。電路微細圖案中的最小線條寬度是提高集成度的關(guān)鍵技術(shù),同時是集成電路水平的一個標志。,44,集成電路中有關(guān)微細加工方法,1)外延生長是在半導(dǎo)體晶片表面沿原來的晶體結(jié)構(gòu)軸方向上生長一薄層單晶層,以提高晶體管的性能。其常用方法是化學(xué)氣相沉積。2)氧化是在半導(dǎo)體鏡片表面生成氧化膜,作為絕緣層防止短路和電容的絕緣介質(zhì),常用的方法是熱氧化法工藝。3)光刻是在基片表面上涂覆一層光致抗蝕劑,經(jīng)圖形復(fù)印曝光、顯影、刻蝕等處理后,在基片上形成所需精細圖形。4)選擇擴散基片經(jīng)氧化、光刻處理后,置于惰性氣體或真空中加熱,并于合適的雜質(zhì)接觸,光刻中去除了氧化膜的基片表面受雜質(zhì)擴散,形成擴散層,稱之為選擇擴散。擴散層深度一般為13UM。5)真空鍍膜是在真空容器中加熱導(dǎo)電性能良好的金屬,使之成為蒸氣原子而飛濺到基片表面,沉積形成一薄層金屬膜,從而解決集成電路中的布線和引線制作。,45,印刷電路板是用一塊板上的電路來連接芯片、電器元件和其他設(shè)備的,其上的電路最早采用篩網(wǎng)印制技術(shù)來實現(xiàn),因而稱作印刷電路板。三種普通的印刷線路板1)單面印制線路板2)雙面印制線路板3)多層印制線路板,印刷電路板制作技術(shù),46,微細加工的實例,中國科學(xué)家研制的微型步進電機的掃描電鏡照片,47,,微細加工的產(chǎn)品,48,,微細加工的產(chǎn)品超大規(guī)模集成電路的制備,49,,微細加工的產(chǎn)品微電機系統(tǒng)MEMS的制備,50,,微細加工的產(chǎn)品微電機系統(tǒng)MEMS在航空航天中的應(yīng)用,航空改進飛機性能、保證飛機安全舒適、減少躁聲。航天天際信息網(wǎng)、微重力測量,51,,微細加工的產(chǎn)品微電機系統(tǒng)MEMS在汽車工業(yè)中的應(yīng)用,52,,微細加工的產(chǎn)品微電機系統(tǒng)MEMS在人體醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用,53,生物芯片LABONCHIP血壓計新型噴霧器可在血管內(nèi)操作和檢測的微型儀器,54,噴霧給藥中的微噴嘴,55,86微細加工技術(shù)的發(fā)展與趨勢,加工方法的多樣化加工材料單純的硅向各種類型的材料發(fā)展提高微細加工的經(jīng)濟性加快微細加工的機理研究,56,微型彈簧,57,撲翼式微飛行器,58,微型機器人,59,微型機器人,60,87納米技術(shù)概述,一、納米的概念納米”是英文NANOMETER的譯名(希臘語“矮小”),是一種度量單位,1納米為百萬分之一毫米,即1毫微米,也就是十億分之一米,約相當于45個原子串起來那么長,是氫原子直徑的10倍,萬分之一頭發(fā)粗細。納米結(jié)構(gòu)通常是指尺寸在100納米以下的微小結(jié)構(gòu)。納米研究的范圍是1到100納米,01納米是單個氫原子的尺寸,因此所謂01納米層面的“納米技術(shù)”是不存在的。,61,HOWSMALLIS1NANOMETER,HUMANHAIR,一納米有多小,62,UNDERSTANDINGSIZE,10CENTIMETERS,1CENTIMETER,63,100MICROMETERS,10MICROMETERS,64,1MICROMETER,100NANOMETERS,65,10NANOMETERS,1NANOMETER,66,二、納米技術(shù)的誕生與發(fā)展,1959年,著名物理學(xué)家、諾貝爾獎獲得者理查德費曼預(yù)言,人類可以用小的機器制作更小的機器,最后將變成根據(jù)人類意愿,逐個地排列原子,制造“產(chǎn)品”,這是關(guān)于納米技術(shù)最早的夢想。七十年代,科學(xué)家開始從不同角度提出有關(guān)納米科技的構(gòu)想。,用掃描隧道顯微鏡的針尖將原子一個個地排列成漢字,漢字的大小只有幾個納米。,67,1974年,科學(xué)家唐尼古奇最早使用納米技術(shù)一詞描述精密機械加工。1982年,科學(xué)家賓尼西、羅雷爾發(fā)明研究納米的重要工具掃描隧道顯微鏡,使人類首次在大氣和常溫下看見原子,為我們揭示一個可見的原子、分子世界,對納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極促進作用。1990年7月,第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會議在美國巴爾的摩舉辦,標志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生。,68,CSTM9000型掃描隧道顯微鏡,69,1991年,碳納米管被人類發(fā)現(xiàn),它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一,強度卻是鋼的10倍成為納米技術(shù)研究的熱點。諾貝爾化學(xué)獎得主斯莫利教授認為,納米碳管將是未來最佳纖維的首選材料,也將被廣泛用于超微導(dǎo)線、超微開關(guān)以及納米級電子線路等。,70,1993年,繼1989年美國斯坦福大學(xué)搬走原子團“寫”下斯坦福大學(xué)英文名字;1990年美國國際商用機器公司在鎳表面用36個氙原子排出“IBM”之后,中國科學(xué)院北京真空物理實驗室自如地操縱原子成功寫出“中國”二字,標志著我國開始在國際納米科技領(lǐng)域占有一席之地。,71,1997年,美國科學(xué)家首次成功地用單電子移動單電子,利用這種技術(shù)可望在20年后研制成功速度和存貯容量比現(xiàn)在提高成千上萬倍的量子計算機。1999年,巴西和美國科學(xué)家在進行納米碳管實驗時發(fā)明了世界上最小的“秤”,它能夠稱量十億分之一克的物體,即相當于個病毒的重量;此后不久,德國科學(xué)家研制出能稱量單個原子重量的秤,打破了美國和巴西科學(xué)家聯(lián)合創(chuàng)造的紀錄。2000年4月,美國能源部桑地亞國家實驗室運用激光微細加工技術(shù)研制出智能手術(shù)刀,該手術(shù)刀可以每秒掃描10萬個癌細胞,并將細胞所包含的蛋白質(zhì)信息輸入計算機進行分析判斷。2001年紐約斯隆凱特林癌癥研究中心的戴維沙因貝格爾博士報道了把放射性同位素錒225的一些原子裝入一個形狀像圓環(huán)的微型藥丸中,制造了一種消滅癌細胞的靶向藥物。這些研究表明納米技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的進展是十分迅速的。,72,到1999年,納米技術(shù)逐步走向市場,全年納米產(chǎn)品的營業(yè)額達到500億美元。近年來,一些國家紛紛制定相關(guān)戰(zhàn)略或者計劃,投入巨資搶占納米技術(shù)戰(zhàn)略高地。日本設(shè)立納米材料研究中心,把納米技術(shù)列入新5年科技基本計劃的研發(fā)重點;德國專門建立納米技術(shù)研究網(wǎng);美國將納米計劃視為下一次工業(yè)革命的核心,美國政府部門將納米科技基礎(chǔ)研究方面的投資從1997年的116億美元增加到2001年的497億美元。,73,88納米技術(shù)的應(yīng)用,74,目前,在納米領(lǐng)域,美國、日本、德國的技術(shù)處于領(lǐng)先地位。我國緊跟其后,處于第二階梯的前列。其中,納米碳管技術(shù)處于世界一流水平,比如大面積定向碳管的合成、超長納米碳管的制備等。,75,76,用納米碳管建成的地月載人電梯構(gòu)想圖,77,1998年,美國首次研制出由磁性納米棒組成的“量子磁盤”,每平方英寸可儲存20萬部紅樓夢。,78,1999年,100NM的芯片又在美國誕生了。整個美國國會圖書館的藏書都能儲存在一個糖塊大小的芯片中。,汽車尾氣,含鉛汽油中的鉛很容易通過血液長期蓄積于人的肝、腎、脾、肺和大腦中,從而導(dǎo)致人的智能發(fā)育障礙和血色素制造障礙等后果。,,汽車尾氣的處理加入納米級的復(fù)合稀土氧化物后,對尾氣的凈化特別明顯,尾氣中的CO、NOX幾乎完全轉(zhuǎn)化。,79,拯救水資源,特種半導(dǎo)體納米材料使海水淡化;納米TIO2可以用來降解有機磷,降解毛紡染整廢水,降解石油,80,納米碳管,81,碳納米管是直徑非常細的中空管狀納米材料,它能夠大量地吸附氫氣,成為許多個“納米鋼瓶”。研究表明,約2/3的氫氣能夠在常溫常壓下從碳納米管中釋放出來。據(jù)預(yù)測,到2010年,就可以生產(chǎn)出氫氣汽車,只需攜帶15升左右的儲氫納米碳管,即可行駛500KM。,82,納米清潔工,83,科學(xué)家設(shè)想制造出負責清掃血管的納米機器人(清潔工),專門負責清掃血管壁上的膽固醇、凝血等沉積物,
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簡介:箱梁移動模架施工,,目錄,工程概況編制依據(jù)施工工藝施工組織安排質(zhì)量保證措施,一、工程概況,橋位于陜西省渭南市境內(nèi),跨越河,雙線大橋全長290117M,中心里程DK2931305,橋梁跨度型式為224732M無碴軌道后張法預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支箱梁,全橋位于曲線上??招臉蚺_,鉆孔樁承臺基礎(chǔ),橋墩為圓端型橋墩實心墩。,,工程水文地質(zhì)特征該橋跨越河,河流水量大,且隨季節(jié)變化。本橋線路地下水主要為第四系孔隙水、基巖裂隙水,含水量豐富,取地下水化驗水對混凝土具酸性侵蝕,腐蝕等級為H1。7~9月份為洪水期,12~3月份為枯水期。,二、編制依據(jù),1雙線大橋施工圖2鐵路混凝土工程施工技術(shù)指南(TZ2102005)3)客運專線鐵路橋涵工程施工技術(shù)指南(TZ2132005)4)客運專線高性能混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件5)客運專線鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗收暫行標準(鐵建設(shè)2005160號)6)鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收補充標準(鐵建設(shè)2005160號),,移動模架組拼,調(diào)整檢查及預(yù)壓,支座安裝,箱梁底腹板板筋及預(yù)應(yīng)力管道安裝,內(nèi)膜安裝,箱梁頂板鋼筋及預(yù)埋件安裝,端模安裝,檢查驗收,混凝土澆筑,梁體養(yǎng)護,,,,,,,,,,三、施工工藝,,模架前移就位,養(yǎng)護,注漿,終張拉,模架脫模及橫移,初張拉,,,,,,31工藝流程,311移動模架拼裝移動模架拼裝步驟圖,步驟一1、按圖中位置搭設(shè)移動模架主梁拼裝支架;2、在墩頂按裝前、后支腿并與預(yù)埋件鎖定;3、在前支腿后方安裝支腿斜拉機構(gòu),前方拉設(shè)鋼絲繩并可靠錨固;,步驟二1、預(yù)先安裝主梁牛腿在2、3主梁相應(yīng)位置;2、逐節(jié)拼裝1、2、3主梁并將接頭螺栓上滿擰緊;3、拼裝6主梁并將接頭螺栓上滿擰緊,在6主梁相應(yīng)位置安裝縱移輔助支腿及相關(guān)配件;4、在墩中心線位置安裝移動模架主梁錨固結(jié)構(gòu);,步驟三1、懸臂拼裝J9墩前方3主梁,接頭螺栓上滿擰緊;2、懸臂拼裝4主梁、5主梁,接頭螺栓上滿擰緊;,步驟四1、安裝前后支腿液壓系統(tǒng),拆除前支腿斜拉機構(gòu)、斜拉鋼絲繩及錨固結(jié)構(gòu);2、前后支腿油缸頂升30MM,拆除拼裝支架13、從造橋機后端向前端逐節(jié)拼裝挑梁、吊臂4、在主梁相應(yīng)位置安裝貝雷梁提升裝置,并與主梁錨固,逐節(jié)拼裝側(cè)模架及底模架,利用貝雷梁提升裝置起吊到位,并與吊臂連接;5、安裝模板系統(tǒng)及吊桿并調(diào)整,安裝防護欄桿及走道等附屬設(shè)施;6、主梁接頭螺栓全面檢查復(fù)擰,預(yù)壓,檢查驗收簽證準備投入使用。,挑梁吊裝一挑梁吊裝二,底模安裝安裝好的側(cè)模架,,已拼裝成型的模架正面已拼裝成型的模架后側(cè)面,312預(yù)壓試驗,1.預(yù)壓目的A、為確保成品箱梁外觀線型符合設(shè)計要求和施工過程的安全,通過預(yù)壓來檢驗移動模架剛度、強度和穩(wěn)定性。B、通過模擬施工中加載過程,分析觀測結(jié)果來計算移動模架的彈性變形和非彈性變形值,根據(jù)箱梁設(shè)計的反拱度與彈性變形值組合計算出底模的預(yù)拱度,以此來確定施工時底模應(yīng)設(shè)置的預(yù)拱度,為后續(xù)施工模板的拱度設(shè)置提供依據(jù)。C、實測移動模架承受施工荷載引起的彈性變形,與理論計算進行比較,驗證計算模式。,2.預(yù)壓步驟本次移動模架預(yù)壓共分為以下六個步驟第一步預(yù)壓準備(技術(shù)交底、人員、機械、材料等),對已完成拼裝的移動模架進行檢查驗收,全面檢查移動模架的各個受力部位,確保移動模架的每一個受力構(gòu)件均處于正確的受力狀態(tài);第二步將移動模架主梁和模板調(diào)整到箱梁施工時的設(shè)計標高及平面位置;第三步在移動模架主梁頂面上標記觀測點,測量各點預(yù)壓前的標高值,并填寫測量記錄;第四步分級加載,測量各點標高,并隨時觀察移動模架各部位有無異常變形,并填寫測量記錄;第五步滿載后,仔細檢查移動模架各個受力部位,并靜置至少24小時,每4小時觀測一次各點標高,累計變形值不大于2MM,即可認為穩(wěn)定,此時可以卸載,并填寫測量記錄;第六步分級卸載,并填寫測量記錄;第七步整理、分析測量的數(shù)據(jù),根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整模板標高。,,,,,,模架預(yù)壓(一),模架預(yù)壓(二),313支座安裝,本橋采用盆式橡膠支座,每孔梁布置固定型(GD)、橫向型(HX)、縱向型(ZX)、多向型(DX)各一個,按照設(shè)計要求,固定支座布置在端(曲線內(nèi)側(cè))、支座安裝完成后采用重力灌漿方式對支座錨栓孔及支座與墊石之間空隙進行灌漿,灌漿用材料滿足設(shè)計要求,采用無收縮高強度灌注材料,28D抗壓強度不小于50MPA。,盆式支座安裝步驟,1)橋墩支承墊石施工時按設(shè)計要求預(yù)留套筒孔,孔的直徑大于套筒直徑加60MM,深度大于套筒的長度加60MM,預(yù)留錨栓孔中心及對角線位置偏差不得超過10MM。2)對墊石軸線、標高進行測量,在橋墩支承墊石上按設(shè)計圖標出支座位置中心線。3)檢查支座各部件是否齊全,支座安裝前,不得隨意拆卸或任意松動上、下支座連接螺栓。4)將地腳螺栓穿過地腳螺栓孔旋入套筒內(nèi)并擰緊,注意在地腳螺栓與支座板間加一平墊圈。5)鑿毛支座就位部位的支承墊石表面,清除錨栓孔內(nèi)雜物,并用水將支承墊石表面濕潤。,,6)整體吊裝支座,按設(shè)計要求相應(yīng)的支座布置原則就位,畫出支座上下板中心線,調(diào)整位置使支座上下板中心線與墊石頂面軸線重合,使套筒插入墊石預(yù)留套筒孔內(nèi),用四塊鋼鍥塊調(diào)整支座水平至設(shè)計標高,為防止重力灌漿時發(fā)生漏漿,在支座周圍安裝灌漿用模板,模板與墊石接觸處用砂漿封堵。7)采用重力灌漿方式灌注支座下部及錨栓孔處空隙,灌漿時先灌注錨栓孔內(nèi)空隙,然后從支座中心部位向四周注漿,直至鋼模與支座底板周邊間隙觀察到灌漿材料全部灌滿為止,灌漿前,初步計算所需漿體體積,實際灌注漿體量與計算值應(yīng)基本相符,防止中間缺漿。8)灌漿材料達到終凝后,拆除鋼模板及四角鋼鍥塊,并用砂漿填堵鋼楔塊抽出后的空隙,擰緊下支座錨栓,待梁體混凝土澆筑完畢后,及時拆除各支座的上下板連接角鋼,螺栓及吊裝部件,并安裝支座圍板。,,底腹板鋼筋綁扎及波紋管安裝,314內(nèi)模安裝及頂板鋼筋綁扎,,內(nèi)膜安裝,頂板鋼筋綁扎,,315混凝土澆筑,梁體混凝土灌筑順序先澆注腹板與底板結(jié)合處的混凝土,用2臺輸送泵從箱梁兩端向跨中分層依次流水布料,澆筑時左右對稱,腹板混凝土澆筑時,每層厚度控制在30CM以內(nèi)。,混凝土灌筑注意事項,(1)混凝土正式泵送前,要先用一盤砂漿進行濕潤泵管,之后進行混凝土的泵送試驗,以檢查混凝土的泵送指標情況,合格后再正式進行混凝土的泵送入模灌注。(2)混凝土灌筑采用水平分層連續(xù)灌筑,由兩端向中間循序漸進的施工方法。灌筑厚度不得大于30CM。布料先從箱梁兩側(cè)腹板同步對稱均勻進行,先灌筑腹板與底板結(jié)合處,然后將底板尚有空隙的部分補齊并及時抹平,再灌筑腹板,最后灌筑頂板。(3)底板混凝土灌筑時,兩臺輸送泵分別從梁的兩端向中間腹板方向,邊移動邊灌筑混凝土。當混凝土灌筑到高于底板混凝土?xí)r,改用從內(nèi)模頂?shù)墓嘀炷量坠嘀装寤炷?,振搗采用插入式振動棒和附著式振動器振搗。(4)梁端兩腹板混凝土灌筑時,采用同步對稱灌筑腹板混凝土,防止兩邊混凝土面高低懸殊,造成內(nèi)模偏移或其它后果。(5)當兩腹板槽灌平后,開始灌筑橋面板混凝土。橋面混凝土澆筑從兩端開始,向中間合攏。(6)灌筑兩腹板梗斜處,為保證底板與腹板交接部位及其附近區(qū)域混凝土密實,應(yīng)將振動棒插入模板預(yù)留孔內(nèi),沿周圍振搗。,,(7)灌筑過程中,設(shè)專人檢查模板、附著式振動器和鋼筋,發(fā)現(xiàn)螺栓、支撐等松動應(yīng)及時擰緊和打牢。發(fā)現(xiàn)漏漿應(yīng)及時堵嚴,鋼筋和預(yù)埋件如有移位,及時調(diào)整保證位置正確。(8)混凝土灌筑入模時下料要均勻,注意與振搗相配合,混凝土的振搗與下料交錯進行,每次振搗按混凝土所灌筑的部位使用相應(yīng)區(qū)段上的振動器。(9)梁體混凝土灌筑采用插入式振動棒振搗成型,梁端處鋼筋較密,而且是預(yù)應(yīng)力管道錨固位置,為保證質(zhì)量,采用高頻插入式振動器搗固,橋面混凝土用插入式振動,輔以平板振動器振動,然后人工收漿抹平?;炷琳駝訒r間,應(yīng)以混凝土表面不再下沉、沒有氣泡逸出和混凝土表面開始泛漿為度,但亦不應(yīng)少于半分鐘,注意總結(jié)經(jīng)驗,掌握最佳的振動時間。(10)操作插入式振動棒時宜快插慢拔,垂直點振,不得平拉,不得漏振,謹防過振;振動棒移動距離應(yīng)不超過振動棒作用半徑的15倍(約40CM),每點振動時間約20S~30S,振動時振動棒上下略為抽動,振動棒插入深度以進入前次灌筑的混凝土面層下50MM為宜。灌筑過程中注意加強倒角、交界面以及鋼筋密集部位的振搗。(11)橋面板混凝土灌筑到設(shè)計標高后用平板振動抹平機及時趕壓、抹平,保證排水坡度和平整度。收漿抹平執(zhí)行兩次,以防裂紋和不平整。(12)灌筑前檢查鋼筋保護層墊塊的位置、數(shù)量及其緊固程度;檢查所有模型緊固件是否擰緊、完好;模型接口是否有縫隙;所有振動器是否完好。(13)混凝土從加水攪拌起,45分鐘內(nèi)應(yīng)泵送完畢。混凝土的灌筑應(yīng)采用水平分層,連續(xù)推移的方式進行,混凝土的入模溫度控制在5~30℃。,箱梁張拉完畢,拆除墩頂散模,拆除吊桿,松開底模及側(cè)模縱橫向連接螺栓,模架后端力量從后支腿轉(zhuǎn)換至輔助支腿,后支腿前移至梁端,整機下降027M;底模架橫移開啟,準備前移過孔。,,前支腿前移至前一排墩頂并臨時錨固鎖定,準備第二次前移過孔。,整機前移22M約后到位,橫移關(guān)閉底模架,頂升027M至工作狀態(tài)并鎖定;安裝吊桿及調(diào)整模板系統(tǒng),澆筑箱梁混凝土;,整機前移107M約暫停,模架前端力量從前支腿轉(zhuǎn)換至后支腿,準備前移前支腿至前一墩。,32M標準跨施工步驟,梁體預(yù)拱度設(shè)置,1)設(shè)置數(shù)據(jù)在安裝模板時由跨中至支點采用二次拋物(YAX2B)方法按最大80MM~0MM進行預(yù)拱度的設(shè)置,待梁體張拉完后根據(jù)具體情況和統(tǒng)計資料再進行調(diào)整。,2)設(shè)置方法(1)理論反拱值設(shè)置設(shè)計提供的理論計算跨中最大反拱值24M箱梁為551MM。理論設(shè)置24M箱梁跨中設(shè)置向上預(yù)設(shè)反拱551MM,其它位置按二次拋物線過渡。,各點理論反拱計算公式Y(jié)AX2B根據(jù)該公式可計算出縱橋向各點理論反拱值。,(2)彈性變形根據(jù)預(yù)壓結(jié)果,建立以下坐標系,各點彈性變形量計算公式Y(jié)AX2B根據(jù)該公式可計算出縱橋向各點彈性變形值。(3)最終調(diào)整后的梁底標高梁底設(shè)計標高彈性變形預(yù)拱梁體理論預(yù)拱,四、施工組織安排,41工期計劃根據(jù)工期要求,水口河雙線大橋簡支梁共9孔跨,配置上行式移動模架1套,定型鋼模板1套,移動模架安拆2個月,正常每孔梁18天,計劃工期115個月,,,42勞動力配置,,,43主要施工機械設(shè)備表,1)明確質(zhì)量目標符合國家和鐵道部有關(guān)標準、規(guī)范及設(shè)計文件要求,檢驗批、分項、分部工程施工質(zhì)量檢驗合格率100。2)實行定期目標檢查考核、評定,實行全面質(zhì)量管理制度建立專項QC小組,嚴格按照PDCA循環(huán),扎實、有效地開展活動。加強班組建設(shè),加強全員(管理人員和操作人員)對本項目工程質(zhì)量認識,加強對施工人員各項技能培訓(xùn)。對施工全過程、全方位進行檢查、監(jiān)督和控制。3)建立四級檢查制度班組自檢、施工員復(fù)檢、質(zhì)檢工程師復(fù)檢、監(jiān)理工程師檢查。自檢、復(fù)檢穿梭于每道工序作業(yè)中,嚴格按照施工技術(shù)規(guī)范和設(shè)計要求進行施工。4)施工過程質(zhì)量控制措施加強對原材料、半成品使用、施工工藝的控制,對材料質(zhì)量狀況、機具設(shè)備狀況、施工程序、關(guān)鍵操作、安全條件、新材料新工藝應(yīng)用、常見質(zhì)量通病、包括操作者的行為等影響因素列為控制點,作為重點檢查項目進行預(yù)控。,五、質(zhì)量保證措施,,5)加強移動模架材料控制、移動模架安裝控制、施工要點及技術(shù)要求和對移動模架安裝人員的要求(1)材料控制通過調(diào)研比選,確定提供移動模架材料的生產(chǎn)廠家,材料訂購、裝卸和運輸有專業(yè)物資人員全過程監(jiān)督,并由廠家提供產(chǎn)品合格證,運到工地后抽檢做試驗合格后方準投入使用;(2)安裝人員的要求移動模架安裝人員要經(jīng)過培訓(xùn)考核合格后持證上崗,熟悉移動模架安裝順序,技術(shù)人員做好安全技術(shù)交底,施工環(huán)節(jié)把關(guān),對每個移動模架組成部分的安裝尺寸、標高及位置進行全過程的監(jiān)控。,謝謝大家,
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上傳時間:2024-01-06
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