胡韶華，賀曉輝，李世林

（重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，重慶402260）

綠色納米制造研究體系及相關(guān)技術(shù)

胡韶華，賀曉輝，李世林

（重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，重慶402260）

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，越來越多的納米產(chǎn)品開始進(jìn)入人們的日常生活，納米材料及納米加工制造對(duì)環(huán)境的危害等因此成為人們?nèi)諠u關(guān)注的問題。在總結(jié)國內(nèi)外現(xiàn)有研究狀況的基礎(chǔ)上，從可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境意識(shí)角度出發(fā)，提出了一個(gè)綠色納米制造的概念。在闡述所提出的綠色納米制造的概念的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了其綠色納米制造的研究內(nèi)容體系框架和提出了相應(yīng)的理論體系和綠色納米制造的支持技術(shù)，為綠色納米制造發(fā)展提供重要的參考。

綠色；納米；制造；環(huán)境

近年來，隨著納米科技的迅猛發(fā)展，各種人造納米材料已經(jīng)在醫(yī)藥、化妝品和電子等產(chǎn)品中廣泛使用，并已取得非常顯著成績[1]。然而，對(duì)于納米材料本身而言，納米材料的生物安全性還沒得到證實(shí)，相關(guān)研究顯示，納米材料可能對(duì)多個(gè)臟器和中樞神經(jīng)系統(tǒng)造成危害[2]。另外，對(duì)于納米制造過程而言，存在：（1）制造過程對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響；（2）制造過程能量效率如何提升還需要進(jìn)一步研究[3]；（3）如何有效的控制納米制造過程的資源和資源循環(huán)利用等一系列問題還有待研究。因此，本文從可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境意識(shí)角度出發(fā)，提出了一個(gè)綠色納米制造的概念以及其發(fā)展趨勢(shì)，希望能為綠色納米制造發(fā)展提供重要的參考。

1 綠色納米制造的定義

綠色納米制造是一種系統(tǒng)性優(yōu)化的先進(jìn)制造模式，不僅考慮了人類及生物的健康安全，也考慮了對(duì)環(huán)境的影響以及資源的效率，其主要目標(biāo)是產(chǎn)品的優(yōu)化過程，包括材料的選擇、產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及制造、服役過程以及報(bào)廢回收等全部過程，并保證在整個(gè)全生命周期中對(duì)環(huán)境影響最小，資源的利用效率最大，從而實(shí)現(xiàn)納米產(chǎn)品制造過程的綠色化。

2 綠色納米制造的研究體系結(jié)構(gòu)

本文的綠色納米制造的研究體系主要包括三大類：綠色納米制造的理論體系和總體技術(shù)、綠色納米制造的專題技術(shù)和綠色納米制造的支撐技術(shù)，它們之間有著密切的關(guān)聯(lián)關(guān)系，如圖1所示。

圖1 綠色納米制造技術(shù)的關(guān)系示意圖

2.1 綠色納米制造的理論體系和總體技術(shù)

綠色納米制造的理論體系和總體技術(shù)又包括以下四個(gè)部分：

（1）綠色納米材料理論技術(shù)是指納米材料對(duì)環(huán)境、人類等健康危害較小或無危害的技術(shù)，使研究者、生產(chǎn)者和消費(fèi)者今后將有許多機(jī)會(huì)接觸納米材料。其次，納米材料的超微性人體對(duì)顆粒性物質(zhì)的吸收過程和它能引起的生物學(xué)影響。未被處理過的納米材料有可能通過空氣到達(dá)人的肺部，嚴(yán)重影響人體健康。因此，納米材料對(duì)環(huán)境和人體的傷害巨大，潛在危害大。目前，納米材料毒性的識(shí)別技術(shù)發(fā)展較快，熒光標(biāo)記技術(shù)、掃描電鏡和原子力顯微鏡、核磁共振技術(shù)、量子點(diǎn)標(biāo)記等，都已被運(yùn)用到納米材料毒理學(xué)研究領(lǐng)域中。

（2）綠色納米制造理論技術(shù)是指在納米材料制造、加工、生產(chǎn)等過程對(duì)環(huán)境和人體危害最小的制造技術(shù)。而納米制造科學(xué)與技術(shù)是一門研究特征尺度在納米并具有特定功能器件與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造的綜合交叉學(xué)科，研究內(nèi)容涉及納米器件與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、加工、測(cè)試、封裝與裝備等[1]，其內(nèi)容之多，范圍之廣。目前，現(xiàn)有的納米制造技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面：納米精度表面加工的新方法與新工藝、大面積結(jié)構(gòu)高效制造技術(shù)、Top-down與Bottom-up納米制造新原理等。其中納米精度表面加工的新方法與新工藝主要包括：納米制造新方法與新工藝有離子束亞納米面形可控加工，面向集成電路制造的納米精度表面平坦化新原理與新技術(shù)，機(jī)械化學(xué)納米精度磨削技術(shù)，超低下壓力化學(xué)機(jī)械平坦化理論與技術(shù)等。大面積結(jié)構(gòu)高效制造技術(shù)主要包括大面積復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)的高保真模塑復(fù)形技術(shù)、以約束刻蝕劑層技術(shù)為基礎(chǔ)的化學(xué)加工新原理等。Top-down與Bottom-up納米制造新原理包括：基于自組裝的納米結(jié)構(gòu)可控制造、無掩膜等離子體刻蝕實(shí)現(xiàn)大面積納米錐陣列加工等。

（3）綠色納米制造—全生命周期工程是指對(duì)納米選擇、設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、使用到報(bào)廢處理的整個(gè)生命周期對(duì)環(huán)境的影響對(duì)小，資源效率最高的系統(tǒng)評(píng)價(jià)工程。全生命周期工程能夠?qū){米制造的生命全過程進(jìn)行評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)、管理等有著重要的作用。

（4）綠色納米制造的物能資源系統(tǒng)包含了以下幾大問題：資源消耗規(guī)律、產(chǎn)品材料選擇、物能資源利用，以及全生命周期多生命周期的能源管理與控制等主要問題。很多學(xué)者從綠色制造的內(nèi)涵出發(fā)，考慮資源消耗狀態(tài)，提出了不同的綠色制造系統(tǒng)的物能資源流模型。

2.2 綠色納米制造的專題技術(shù)

綠色納米制造專題技術(shù)主要包含綠色納米材料選擇、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝、工藝規(guī)劃、包裝及報(bào)廢處理等專題技術(shù)。綠色納米設(shè)計(jì)技術(shù)的主要目標(biāo)是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，要充分考慮對(duì)資源與環(huán)境的影響，在滿足功能指標(biāo)、質(zhì)量目標(biāo)、生產(chǎn)周期的條件下消耗資源最少，環(huán)境影響最小。綠色納米材料選擇技術(shù)則相對(duì)比較模糊，難以處理，目前在材料選擇過程中主要考慮產(chǎn)品的功能、質(zhì)量及成本的基礎(chǔ)上，還要考慮所選材料自身獲取過程中對(duì)環(huán)境及資源的消耗以及材料對(duì)環(huán)境的影響，因此材料的選擇及其復(fù)雜，也難以評(píng)價(jià)，一般而言選擇量大易獲取的材料為佳。綠色納米工藝規(guī)劃技術(shù)主要是根據(jù)產(chǎn)品自身特性（如尺寸、形狀、加工精度、硬度）選擇合理的工藝路線，達(dá)到少耗資源、少排放廢物、少環(huán)境污染的目的。比如選擇毛坯時(shí)盡量少加工余量，粗加工盡量選擇大的切削量，表面處理（或熱處理）次數(shù)盡量靠后且次數(shù)越少等。但是往往這些約束不一定都可以同時(shí)滿足，所以需要在工藝路線規(guī)劃時(shí)要去的一個(gè)平衡。綠色納米包裝技術(shù)主要是在優(yōu)化產(chǎn)品的包裝方案，使得包裝在滿足保護(hù)產(chǎn)品安全及性能條件下，盡量選擇簡易的包裝，以節(jié)約資源和少產(chǎn)生廢棄物，目前市面如酒類、煙類等生活用品過度包裝，豪華包裝都不符合綠色包裝理念。綠色納米處理技術(shù)是指產(chǎn)品在服役期滿或者報(bào)廢后的產(chǎn)品處置技術(shù)，通過回收處理盡量達(dá)到不造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

2.3 綠色納米制造的支撐技術(shù)

綠色納米制造的支撐技術(shù)主要包括綠色納米數(shù)據(jù)庫和知識(shí)庫、納米制造系統(tǒng)環(huán)境影響評(píng)估系統(tǒng)、綠色納米制造管理系統(tǒng)和綠色納米制造的實(shí)施工具和產(chǎn)品。綠色納米數(shù)據(jù)庫和知識(shí)庫通過大量的理論數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處置方案技術(shù)參數(shù)形成一個(gè)專家支持系統(tǒng)，為綠色納米產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、材料選擇、工藝規(guī)劃及產(chǎn)品回收提供數(shù)據(jù)支持和理論基礎(chǔ)。環(huán)境影響評(píng)估則是對(duì)納米產(chǎn)品全生命周期的物料消耗、能源消耗及環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要包括制造過程中物料、能源消耗、環(huán)境污染，使用過程環(huán)境污染，壽命終結(jié)或報(bào)廢后對(duì)環(huán)境的污染的評(píng)估。綠色納米制造管理系統(tǒng)是指對(duì)納米產(chǎn)品加工過程的監(jiān)督和管理系統(tǒng)，包括質(zhì)量控制、成本控制及對(duì)環(huán)境污染的控制等。

3 結(jié)束語

綠色納米制造技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)綠色制造技術(shù)的全面更新和評(píng)估技術(shù)，不再以產(chǎn)品性能、價(jià)格、利潤為中心進(jìn)行評(píng)價(jià)和監(jiān)督，而是考慮了環(huán)境影響和資源消耗，新材料新工藝的評(píng)價(jià)及推廣等多方面約束的制造技術(shù)監(jiān)督與管理技術(shù)。綠色納米制造技術(shù)是一種以人為本、以環(huán)境為本的科學(xué)系統(tǒng)觀，在這種制造體系下，犧牲環(huán)境獲取利潤的制造模式難以生存。

[1]Ermie Hood.Nanotechnology：Think before we leap[J].enviro nment Health Prospect[J].2004，112（3）：740-746.

[2]Oberdrster G，F(xiàn)inkelstein J N，Johnston C，et al.Acute pulmonary effects of ultrafine particles in rats and mice[J]. Research Report，2000，96（1）：5-12.

[3]汪冰，豐偉悅，趙宇亮，等.納米材料生物效應(yīng)及其毒理學(xué)研究進(jìn)展[J].中國科學(xué)B輯：化學(xué)，2005，35（1）：1-10.

[4]劉宇宏，雒建斌.納米制造科學(xué)與技術(shù)中的基礎(chǔ)問題研究進(jìn)展[J].中國基礎(chǔ)學(xué)，2013，15（3）：3-13.

Research Status and Development Trend ofGreen Nanomanufacturing

HU Shao-hua，HE Xiao-hui，LIShi-lin
（School of Electrical Engineering，Chongqing Vocational Institute of Engineering，Chongqing 402260，China）

s：With the development of nanotechnology，more and more nano-products begin to enter people’s daily life，harm to the environment caused by nano-material and its processing become more and more concerned.On the basis of summarizing the status of existing research at home and abroad，this paper puts forward the concept of green nano-manufacturing，establishes the research content system of green nano-manufacturing framework.At last，the developing tendency green nano-manufacturing is discussed including the green nanotechnology topic theory and general technology，special technology and support technology.

green；nanometer；manufacturing；environment

TB301；TB47

A

1672-545X（2017）04-0062-02

2017-01-24

重慶市基礎(chǔ)研究與前沿技術(shù)研究項(xiàng)目（cstc2013jcyjA70014）；重慶市教委科研項(xiàng)目（KJ1503312）

胡韶華（1979-），男，四川宣漢人，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檐囬g節(jié)能運(yùn)行，綠色制造，非標(biāo)設(shè)備研制等。