微纳制造技术在国防领域的应用

随着材料、结构、器件与系统的制造趋于微型化、智能化、多样化、极限化，微纳制造技术已成为当今全球制造技术竞争的热点，是21世纪战略必争的前沿技术。微纳制造技术是指制造微米、纳米量级的三维结构、器件和系统的技术，呈现光学、机械、电子、电磁、化学等多学科交叉，宏观、微观、纳米大尺度跨越，加工材料复合多样(金属、硅、玻璃、陶瓷、复合材料),增减材多工艺融合、变批量制造等特点[1]。微纳制造技术包括光刻、电子束光刻、原子层沉积、纳米压印等一系列先进加工工艺，以及纳米材料的合成和处理方法[2]。按照制造结构尺度的不同，微纳制造分为微制造和纳米制造。微制造是用于尺度为亚毫米到微米级的微结构、微系统的制造，涉及微机械零件、微机电装置、微电子和光电子器件等;纳米制造是指构建具有特定功能纳米结构、器件和系统的制造，包括一维、二维和三维纳米结构[3-4]。近年来，世界各军事强国和地区为满足国防领域不断提出的新需求，非常重视微纳制造技术的发展，甚至提升到国家战略高度予以促进，其发展和应用对于改变传统的制造模式、降低生产成本、提升武器装备核心竞争力具有非常重要的意义。

1 微纳制造技术在武器装备研制和国防科技发展中的作用

军事领域是最早、最大规模采用微纳制造技术的领域之一。微纳制造技术凭借其精密加工、高度定制化和材料多样性等特点，为武器装备的小型化、轻量化、高性能化、低成本研发和生产提供了新的途径和可能性。

1.1 制造军用高性能微型器件

微纳制造技术在国防领域被广泛用于制造微型探测器和传感器等军用部件。这些微型探测器和传感器由于体积小、重量轻、功耗低等特点，可以实现对目标的精确探测和定位，极大地提高了国防装备的智能化和自主化水平。如，红外探测器的发展得益于微纳制造技术的应用，使得操作人员可以无需触摸地感知热目标，甚至在夜间也能“看”到世界。通过微纳制造技术制造的高精度微型传感器和执行器可以实时感知外部环境的变化，并根据这些信息对武器装备进行智能控制。如，利用微纳技术制造的微型传感器可以实时监测武器的温度、压力、振动等状态信息，从而实现对武器状态的实时监控和预警。同时，利用微纳技术制造的微型执行器可以精确控制武器的运动轨迹和姿态，提高其打击精度和稳定性。传统制造技术难以实现高集成度和小型化当前，微纳制造技术通过精确控制材料的微观结构，克服了传统技术在尺寸和性能上的限制，极大提高了军用器件的集成度。

1.2 开发轻质高效纳米结构材料

微纳制造技术在国防领域可以用于制造高性能纳米结构材料，包括轻质高强度复合材料和耐高温材料，这些材料具有优异的力学性能和物理性能，可以用于制造高性能的防护装备和武器系统。如，纳米材料技术可以制作出抗震材料、防弹材料等轻质高效的纳米结构材料，从而提高武器装备的作战性能和生存能力。微纳制造技术还可以用于制造具有特殊性能的材料，如纳米陶瓷、纳米隐身材料等。纳米陶瓷材料具有高硬度、高韧性和耐高温等特性，可以用于制造发动机的燃烧室和枪炮的衬管等部件;纳米隐身材料可以有效吸收电磁波和红外波，用于制造隐形飞机和隐形舰艇等。当前，微纳材料的设计和制造能够在微观层面优化材料性能，解决了传统材料无法满足的轻量化和高强度需求。

1.3 推动新型武器和装备研发

微纳制造技术在国防领域推动了新型武器和装备的研发。通过微纳制造技术促进武器装备微小型化和智能化，对于加速武器装备系统性能的全面提高，有效降低尺寸、重量与成本等具有革命性的影响。如纳米机器人、微型无人机等。这些新型武器系统具有高度的灵活性和隐蔽性，能够在战场上用于侦察和作战支援等任务。微纳制造技术还可以实现武器装备的自修复和自适应功能。通过在武器装备的制造过程中嵌入微型传感器和执行器，可以实时监测武器装备的损伤情况，并通过微型执行器对损伤进行自动修复。此外，还可以利用微纳制造技术制造出自适应的武器装备，使其能够根据不同的作战环境和任务需求自动调整自身的工作状态和性能参数，使得武器系统能够更加灵活、智能，适应复杂多变的战场环境，提高作战效率和生存能力。在国防科技创新方面，微纳制造技术也展现出了巨大的应用潜力。例如，热机械纳米成型技术通过向材料施加压力和温度来驱动纳米结构成型，为制造高性能的纳米器件提供了新的途径。同时，以机器学习为代表的智能化算法也在微纳结构设计中发挥了重要作用，能够实现对整个红外光谱的点对点结构设计，优化隐身材料的红外光谱选择性。此外，微纳制造技术常用于半导体生产与研发，在研制精确制导弹药、灵巧武器、先进情报传感器等军事领域有着深远的影响。

2 国外发达国家和地区积极布局微纳制造技术发展

世界主要军事强国和地区非常重视微纳制造技术的发展，无论是政府部门、军方还是工业界，都将其作为先进制造技术的发展重点进行了战略布局。

2.1 美国

美国早在1991年发布的《美国国家关键技术》报告中，微米级和纳米级制造就被列入其中予以重点支持。进入21世纪，美国政府对微纳制造技术发展给予了更加密切的关注。2012年2月，美国发布《国家先进制造战略规划》,提出扩大对先进制造研发的投资，其中包括增加资金投入用于支持国家标准与技术研究院在纳米制造、生物制造等领域的研究。2021年10月，美国白宫科技政策办公室与美国国家纳米技术协调办公室发布了2021年《国家纳米技术计划战略规划》,以确保美国在纳米科学发现、转化、相关产品制造方面继续处于世界领先地位。2024年2月，美国国家科学技术委员会发布了新一版“关键和新兴技术”清单。其中，第5项“先进制造”领域中包含纳米制造，第17项“半导体和微电子”领域包含用于先进微电子的新型材料、微机电系统(MEMS)和纳机电系统(NEMS)。美国国防部在集中开展了长达7年的光刻技术基础研究后，为满足小批量、多品种军用电子元器件的可靠生产，专门投入电子束光刻的研究，如专门开展了“国防用无掩模直写纳光刻技术”和“整齐的阵列光栅”等项目。工业界层面，美国IBM公司在芯片制程工艺上取得重大突破，该公司首次使用电介质隔离技术、内部空间干燥工艺、2纳米极紫外光刻技术等，开发出全球首个2纳米芯片制造工艺，为半导体研发再创新的里程碑。美国赛威克斯公司推出世界最高分辨率的“赛威克斯光刻1”电子束光刻系统，分辨率达到0.768 nm,比当前最先进的极紫外光刻机分辨率提高2倍以上，标志着量子芯片制造技术的重大突破，并为亚纳米级芯片制造技术发展提供了可行途径，有望进一步促进芯片微缩工艺技术的快速发展。

2.2 欧盟

在欧盟框架计划的支持下，欧洲微纳制造技术平台(MINAM)2006年9月开始启动，并于2008年初正式成立，该平台致力于推动微纳制造技术的研发与产业化，为欧洲的微纳产品制造商及设备供应商提供技术支撑帮助他们在关键技术领域建立、维持全球领先地位。MINAM发布的微纳制造技术前景展望总结了其战略研究议程(SRA)的要点，确定出微纳制造发展的新趋势，为维持和进一步增强欧洲工业在微纳制造技术领域中的领先地位，提供了未来投资和研发战略指导[5]，为进一步支持微纳制造技术的研究和创新，欧盟委员会于2013年5月发布《微纳电子元器件与系统战略》,旨在开展前沿科学研究、推动技术转移和产业化，以及加强国际合作,。与此同时，欧洲纳米计划顾问委员会联盟启动了5条芯片试生产线建设项目，总投资达到7亿欧元，以此全面加强欧洲在先进集成电路、氮化镓、450 mm晶圆、下一代微机电系统和功率器件等关键芯片领域的生产制造能力。

2.3 日本

日本是开展纳米技术基础和应用研究最早的国家。早在20世纪80年代初，日本政府就对纳米技术进行了战略性支持，通过制定和实施一系列科学技术基本计划，将纳米技术与材料作为重点领域纳入国家科技发展基本计划。例如，日本科学技术厅(现改名为文部科学省)在1981年就推出了“先进技术的探索研究计划”(ERATO)每年启动4个5年期的基础研究项目，这些项目主要围绕纳米技术的前沿课题进行研究，主要包括纳米电子学、纳米材料学、纳米分子学、纳米加工和纳米结构等[6]。从1991年开始，日本通产省(后更名为经济产业省)先后实施了多个与纳米技术相关的计划，包括“原子技术研究计划”“量子功能器件研究计划”“原子分子极限操纵研究计划”等，这些计划研究周期大多在10年以上，投入经费高达数于万甚至数亿美元，为日本在纳米元器件制造和材料研发方面保持世界领先水平提供了有力支撑。到了2021年，日本经济产业省开始系统规划布局半导体微纳制造技术发展，推出了一系列有关半导体战略的重要政策，有望极大改变当前日本半导体技术开发所面临的困境，减缓半导体人才外流的情况，以维护国家的科技竞争力和产业独立性，重新夺回半导体产业霸权。

3 微纳制造技术在国外国防领域研究应用现状分析

近年来，微纳制造技术在国外国防领域的应用研究非常活跃，尤其是在微纳3D打印、纳米压印、光刻技术和新型纳米材料的研发与应用方面，以美国为代表的世界军事强国，不断取得成效显著的突破性进展，为武器装备的小型化、轻量化、高性能化、低成本化发展积累了丰富的技术储备。

3.1 微纳3D打印

微纳3D打印是一种将传统3D打印技术拓展到微纳米尺度的制造方法，能够逐层堆积材料来构建复杂的三维结构，解决传统技术难以处理的精密小型产品和复杂器件的加工、制造问题!7]。国外在3D打印微纳结构等方面取得多项重要进展，充分发挥了3D打印定制化设计、材料利用率高、节约生产成本的优势特性。美国佐治亚理工学院开创了一种光投影新型纳米金属3D打印工艺，能够为受昂贵成本限制的传统纳米金属3D打印带来新的突破。目前的打印技术仍无法有效达到纳米级分辨率，即使能够实现，制造过程也是相当昂贵和缓慢。光投影3D打印可以一步创建整个结构，与飞秒激光打印相比，该工艺的打印速度快480倍，成本仅为1/35,促进了纳米3D打印从实验室向工业化应用转变。韩国材料科学研究所、国立昌原大学和釜山机械研究中心合作开发了一种控制熔融金属体积的新型3D打印技术--金属3D打印笔技术(M3DPen)。该技术基于电弧等离子体热源，通过充分利用熔融金属的表面张力，精确控制熔融金属体积不受重力影响，实现材料的连续沉积。与传统的基于电弧的金属增材制造相比，该技术通过精确控制凝固和冷却时间，实现悬空和悬垂结构的连续整体成形，且设备建造成本低，可以使用商用焊丝快速进行增材制造，更加经济。该研究团队利用直径为1.2 mm的镍625丝材进行了样件打印，微观结构致密，具有优异的机械性能。后续将继续研究不锈钢或铝等丝材的成形。该技术有望应用于高附加值零部件制造领域，为金属3D打印提供了新的可能性。奥地利格拉茨理工大学在3D打印纳米结构方面取得突破，通过提前精确模拟和设计三维纳米结构的形状和尺寸，以实现所需的光学特性，之后利用聚焦电子束诱导沉积直接在各种表面高精度制造三维立体结构或平面结构。该技术是目前世界上唯一可用于在几乎所有表面上以受控的单步程序制造具有个体特征尺寸小于10 nm的复杂3D结构的技术，突破了将纳米3D结构转移到高纯度材料上而不破坏其形态的难题。

3.2 纳米压印

纳米压印光刻技术作为一种新型的微纳加工技术，在材料科学、电子学、生物学等领域的研究和应用正在取得令人瞩目的进展，为纳米制造领域的发展开辟了新的可能性[8]。美国劳伦斯伯克利国家实验室与aBeam技术公司合作利用“紫外线纳米压印光刻技术(UV-NIL)”开发出一种纤维纳米压印工艺，用于快速、批量化制造纳米尺度成像探针，打破了此前由于难以对该探针进行批量生产并精确定位而造成的应用瓶颈，推动了此类纳米光学元件的实用化。该探针呈金字塔形，金字塔顶端具有70 nm宽的槽形间隙，用于将强光聚焦到更小的点上，能够实现比传统光谱法高100倍的分辨率进行光谱成像的功能，并采用金属-绝缘体-金属(MIM)结构设计，可以实现光的双向耦合。该探针解决了现有探针的大部分缺点，有望以此制造出更加紧凑、低价且高效的光感设备，并应用于光学雷达、量子计算、战场环境监测等领域。韩国浦项科技大学和高丽大学通过纳米压印光刻技术和原子层沉积工艺两种成熟半导体制造工艺的集成应用，研发出世界首个可见光超透镜量产制造工艺，可在12英寸硅晶圆上批量成形669个直径为1cm的超透镜阵列。新型量产工艺实现超高分辨率树脂纳米图形结构转印，并利用原子层沉积技术涂覆二氧化钛薄层大幅提升超透镜光学效率，具有工艺效率高、成本低、生产规模可调、工艺分辨率高、成品光学转换效率高等特点。量产工艺的突破有望实现超透镜取代目前光学元件中广泛使用的曲面透镜，引领光学元件小型化、轻量化、高性能化、低成本化发展，增强武器装备侦査监视、精准定位、目标跟踪导航、光学干扰与防护等多种军事能力。

3.3 光刻技术

纳米光刻技术是一种利用光刻工艺在纳米尺度上制造图形和结构的方法，该技术作为微电子制造中至关重要的一部分，可用于制造集成电路和其他纳米尺度器件[9]。国外纳米光刻技术在光刻工艺的精度、分辨率和效率方面都取得了重要进展，为纳米电子学、光电子学和生物医学等领域的发展提供了重要支持。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室研发出一种用于提升双光子光刻技术性能的新方法，通过“折射率匹配”方法和对材料的优化设计改善了该技术应用于增材制造的局限性，最小可制造人类头发宽度百分之一的纳米特征。“折射率匹配”方法的应用使得采用增材制造技术制造具备100 nm结构特征的较大尺寸零件成为可能。在美国国家科学基金会、美国国防部和空军科学研究办公室的资助下，美国纽约州立大学和西北大学合作开发出名为“聚合物刷超表面光刻”的方法，该方法结合了纳米光刻技术、微流控技术和有机化学技术，并开发出一种无掩模光刻系统。该系统能够大规模创建出复杂的表面结构，在生物传感器、先进光学系统及药物研发等领域具有广泛的应用前景。哈佛大学在美国空军科学研究办公室、国防高级研究计划局等资助下，利用反应离子東成角度刻蚀(RBAE)工艺，在3 mmx3 mm的la型单晶金刚石薄片表面，刻蚀出了反射率可达98.9%的三维纳米结构。该结构能够制造出可承受10千瓦级高功率连续波激光照射的单体金刚石反射镜，有效解决了传统多层薄膜反射镜受热应力而损坏的问题。该技术有望提高激光武器的性能和降低应用成本，以及用于材料切割、焊接、表面处理、钻孔和微加工等制造领域，提高机械制造生产效率和质量。德国Nanoscribe公司推出了一种新颖的3D微加工技术--双光子灰度光刻3D打印技术，在相同的打印质量要求下，其吞吐量是当前双光子光刻系统的10~60倍。该技术将双光子聚合3D打印的高分辨率与该公司的体素调节专利工艺相结合，显著减少打印层数，提高打印速度，可提供优异的形状精度和卓越的打印质量，在微光学制造和光子学封装领域具有极大的应用潜力。

3.4 纳米材料

纳米材料具有较高的强度和硬度，同时具备轻量化的特点，可为现代战争的军事需求提供新的技术手段和解决方案。国外利用先进工艺和方法将纳米颗粒与传统材料相结合，显著提升了纳米复合材料在力学、热学和电学等方面的性能，使其成为国防领域制备军用高级部件和高性能设备的理想材料[10]，美国阿贡国家实验室使用类似于硅橡胶的alucone有机材料，以及含锂有机盐和三甲基铝两种气体进行刻蚀研究，开发出分子层刻蚀工艺，可精确去除分子层沉积的金属有机薄膜，为在纳米尺度上制造和控制材料几何结构提供了新途径，为微电子器件制造提供了新方法，并超越传统的摩尔定律尺度。美国斯坦福大学利用双光子光刻技术将金属纳米团簇(微小的原子团)融入打印介质中，通过纳米团簇吸收激光引发的化学反应而硬化，制造出一种由聚合物介质与金属复合而成的新型纳米级3D打印材料。该材料表现出极强的能量吸收、强度和可恢复性等机械特性，可吸收的能量是与其密度相当的3D打印材料的2倍，有望成为卫星、无人机和微电子产品更好的轻量化防护材料。在美国陆军支持下，美国Elementum 3D公司利用已获专利的反应性增材制造(RAM)工艺，在传统A5083铝合金的基础上添加5 vo1%纳米陶瓷颗粒增强相，制造出适合3D打印的纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料。该材料内部各向同性且具有高强度，3D打印性能优异，在打印后无需进行热处理，使制造商能够使用高强度铝合金打印军用高级部件，同时减少后处理时间和成本。美国能源部布鲁克海文国家实验室、哥伦比亚大学和石溪大学利用形状可编程的DNA框架，开发出一种通用的纳米材料三维组装方法，用于生产设计各种类型的金属和半导体三维纳米结构。这种自下而上任意设计和制造具有复杂三维结构的功能材料的能力，将加速军队在传感、光学和量子计算等领域的现代化建设。

4 结语

微纳制造技术使制造对象由宏观进入到介观和微观，不仅可以大大拓宽制造技术的尺度范围，而且能够大幅度提升制造的精度和质量，对于满足武器装备高精度、高效率制造需求，推进武器装备向小型化、轻量化高性能化发展起到了至关重要的作用。借鉴国外先进的发展经验，可探索微纳制造技术在我国防领域的发展方向:一是强化基础研究，加强对微纳制造技术的基础理论研究，包括材料科学、物理学、化学、工程学等多学科交叉领域的研究，为微纳制造技术在国防领域的创新发展提供坚实的理论基础;二是创新材料与工艺，探索新型微纳制造材料和工艺，如高性能聚合物、纳米复合材料、生物兼容性材料等，以及先进的加工技术和工艺方法，如激光微纳制造、原子层沉积与刻蚀等，以满足国防领域不同装备的应用需求;三是推动产学研结合与技术转化，促进产学研用深度融合，加强企业、高校和国防科研院所之间的合作与交流，推动技术创新和成果转化，加速微纳制造技术的产业化进程。

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