產(chǎn)品設(shè)計(jì)中材料的選擇與開發(fā)第1頁/共33頁1設(shè)計(jì)材料的選用

1．1設(shè)計(jì)材料的選擇原則

設(shè)計(jì)材料的種類多，量大面廣。在設(shè)計(jì)中如何正確、合理地選用材料是一個(gè)實(shí)際而又重要的問題。設(shè)計(jì)材料的選擇應(yīng)遵循以下原則。①材料的外觀：考慮材料的感覺特性。根據(jù)產(chǎn)品的造型特點(diǎn)、民族風(fēng)格、時(shí)代特征、及區(qū)域特征，選擇不同質(zhì)感、不同風(fēng)格的材料。②材料的固有特性：材料的固有特性應(yīng)滿足產(chǎn)品功能、使用環(huán)境、作業(yè)條件和環(huán)境保護(hù)的需要。③材料的工藝性：材料應(yīng)具有良好的工藝性能，符合造型設(shè)計(jì)中成型工藝、加工工藝和表面處理的要求，應(yīng)與加工設(shè)備及生產(chǎn)技術(shù)相適應(yīng)。④材料的生產(chǎn)成本及環(huán)境因素：在滿足設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，盡量降低成本，優(yōu)先選用資源豐富、價(jià)格低廉、有利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的材料。⑤材料的創(chuàng)新：新材料的出現(xiàn)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供更廣闊的前提，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求。第2頁/共33頁第3頁/共33頁第4頁/共33頁1．2影響材料選擇的基本因素

除材料本身的固有特性外，影響材料選擇的基本因素主要有以下幾個(gè)方面。

(1)功能

無論怎樣的產(chǎn)品，都必須首先考慮產(chǎn)品應(yīng)具有怎樣的功能和所期望的使用壽命。這樣的考慮必定會(huì)在選用何種材料更合適方面做出總的指導(dǎo)。(2)基本結(jié)構(gòu)要求

如何綜合平衡設(shè)計(jì)中對(duì)產(chǎn)品的功能、人機(jī)工程學(xué)和美學(xué)方面的要求，以及針對(duì)批量生產(chǎn)特點(diǎn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、加工工藝難點(diǎn)和由此產(chǎn)生的成本問題等加以解決，已成為材料選擇中的主要問題。其中材料的耐久性應(yīng)是材料選擇中必須最先考慮的。在大多數(shù)情況下，這樣的考慮比僅考慮美學(xué)品質(zhì)或節(jié)約成本而選用可能導(dǎo)致產(chǎn)品在使用過程中過早廢棄的劣質(zhì)材料，顯然要有意義的多。第5頁/共33頁

(3)外觀

產(chǎn)品的外觀在一定程度上受其可見表面的影響，并受材料所能允許的制造結(jié)構(gòu)形式的影響，因此，外觀也是材料選擇應(yīng)考慮的一個(gè)重要因素。就產(chǎn)品的表面效果來看，材料還影響著表面的自然光澤、反射率與紋理，影響著所采用的表面裝飾材料和方式，影響著裝飾的外觀效果和在使用期限內(nèi)的老化程度與速度。至于造型所采取的制造工藝與手段，如澆鑄、模鑄、沖壓、彎折或切削等也在很大程度上依賴于所采用的材料。(4)安全性

安全是最基本的因素。材料的選擇應(yīng)按照有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)選用，并充分考慮各種可能預(yù)見的危險(xiǎn)。例如醫(yī)院的某些電療設(shè)備中與病人接觸的部位，其表面應(yīng)選擇絕緣且抗靜電的材料；在設(shè)備較暴露的位置若配置普通的平板玻璃，就易于碰撞碎裂而造成人身傷亡；在設(shè)備內(nèi)部若選用易于泛潮的塑料軸承，就會(huì)因隱匿著腐蝕的危險(xiǎn)性造成質(zhì)量惡化而導(dǎo)致至關(guān)重要的控制件失靈。

第6頁/共33頁(5)控制件

控制件對(duì)材料的選擇也有其特殊的需求。例如，操縱鍵盤的材料應(yīng)具有恰當(dāng)?shù)慕佑|摩擦性和沖擊回彈性，以保證可靠操作和手感舒適；用作控制面板的材料應(yīng)選擇反射率較低并易于在其表面形成圖樣符號(hào)或易于貼附圖樣符號(hào)的材料制作，以減少眩光和便于指示控制動(dòng)作。(6)抗腐蝕性

抗腐蝕性是材料選擇的另一個(gè)重要準(zhǔn)則，因?yàn)樗绊懼a(chǎn)品的操作、外觀、壽命和維護(hù)。在直接涉及人身安全的場(chǎng)合，則必須通過材料的選擇來防止危險(xiǎn)的腐蝕。例如，為了保證維修、測(cè)試、操作過程的安全，對(duì)設(shè)備中必須具備的升降機(jī)或其他必須保證生命安全為主的設(shè)備，其材料的選擇就應(yīng)該以保證安全為前提。

第7頁/共33頁(7)市場(chǎng)

設(shè)計(jì)者必須對(duì)未來可能使用自己所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的消費(fèi)者進(jìn)行調(diào)研。如果可能，應(yīng)盡量使自己的產(chǎn)品達(dá)到或超出消費(fèi)者所期望的程度。對(duì)于材料，要考慮到消費(fèi)者的態(tài)度往往受他所接觸的各類產(chǎn)品的影響。有時(shí)消費(fèi)者所期望的材料也許恰恰是設(shè)計(jì)者并不準(zhǔn)備采用的。在有些情況下，消費(fèi)者對(duì)某些產(chǎn)品所選用的材料還受到傳統(tǒng)習(xí)慣的束縛，在一定時(shí)間內(nèi)未必會(huì)被消費(fèi)者接受。當(dāng)然，這并不等于說產(chǎn)品選用的材料就必須永遠(yuǎn)停滯在傳統(tǒng)的水平上。隨著科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展，新材料、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)勢(shì)在必然。問題在于當(dāng)我們選擇新材料替代傳統(tǒng)材料時(shí)，如何在造型設(shè)計(jì)上、在廣告宣傳上設(shè)法讓消費(fèi)者能夠更快地適應(yīng)和接受。第8頁/共33頁第9頁/共33頁2材料工程的發(fā)展

圖5—1為材料科學(xué)與工程領(lǐng)域研究的四大主題及其相互關(guān)系，其中，“應(yīng)用需求”提供了本學(xué)科與社會(huì)交互作用的通道，經(jīng)由這一通道，社會(huì)向材料工作者提供需求信息，材料工作者向社會(huì)提供能滿足需求的材料或材料產(chǎn)品；“合成與加工”與社會(huì)存在著一定的相互作用，這主要體現(xiàn)在對(duì)環(huán)境的影響方面，例如，加工過程中污染物的排放、能耗大小等；“材料結(jié)構(gòu)成分”主要研究材料內(nèi)部的化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)、復(fù)合結(jié)構(gòu)的成因，以及這些結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響；“材料性能”主要研究性能的評(píng)價(jià)方法、測(cè)試方法及影響因素。第10頁/共33頁第11頁/共33頁

隨著人類文明的進(jìn)步，面對(duì)人類需求在質(zhì)和量方面的不斷增長，對(duì)材料品種和性能的要求越來越高，材料科學(xué)與工程領(lǐng)域發(fā)生著日新月異的變化，主要特征體現(xiàn)在以下幾方面。

①新構(gòu)思、新觀念不斷涌現(xiàn)，成為此領(lǐng)域迅速發(fā)展的強(qiáng)大推力。例如，材料低維化，由三維塊體材料向二維薄膜材料、一維纖維材料、零維原子簇和納米粉體材料發(fā)展；材料梯度化，利用特殊制備方法可將不同的兩種材料平緩地、無界面的連接在一起；材料復(fù)合化，包括纖維復(fù)合、顆粒復(fù)合、納米復(fù)合、原位復(fù)合等；材料仿生化，師法自然可以做到結(jié)構(gòu)仿生(形似)和功能仿生(神似)；材料智能化，集傳感、執(zhí)行功能為一體；材料綠色化，積極探索廢棄材料的二次利用，大力發(fā)展綠色材料。第12頁/共33頁②營造特殊環(huán)境，利用極端手段，制備特殊材料，獲取特殊性能。例如，在微重力條件下制備超純晶體材料、特殊自潤滑材料、優(yōu)良磁性材料和超導(dǎo)材料等；在高溫、高壓條件下合成金剛石、氧化物和非氧化物超硬材料；在快速冷卻條件下生產(chǎn)非晶態(tài)材料、微晶材料和納米材料；在自蔓延條件下合成各類金屬間化合物、梯度材料；在激光束、電子束、離子束作用下制備各類非平衡材料、實(shí)施材料表面改性。第13頁/共33頁③強(qiáng)烈依賴其它高新技術(shù)，材料領(lǐng)域成為其它高新技術(shù)綜合應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)地。當(dāng)今新材料的合成和制備大多在高溫、高真空、特殊氣氛等非平衡環(huán)境中進(jìn)行。20世紀(jì)80年代后期納米器件(巴基球)的發(fā)現(xiàn)就是綜合應(yīng)用激光技術(shù)、高真空技術(shù)和精細(xì)測(cè)試技術(shù)的范例，發(fā)現(xiàn)者因此于1996年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。第14頁/共33頁④經(jīng)濟(jì)實(shí)力成為制約材料領(lǐng)域發(fā)展速度、深度和廣度的關(guān)鍵因素。20世紀(jì)90年代，美國每年用于材料研制和開發(fā)的費(fèi)用均為數(shù)十億美元；日本、美國，德國、法國等發(fā)達(dá)國家先后制定了材料資助項(xiàng)目，對(duì)新材料研制和開發(fā)給予了高度重視。各國都希望材料這塊“基石”更加牢固，以便在這塊“基石”上建筑更加雄偉的人類文明大廈。第15頁/共33頁3設(shè)計(jì)材料的開發(fā)

對(duì)于新材料的發(fā)現(xiàn)和研制，材料開發(fā)循環(huán)過程為：功能需求分析--確定性能指標(biāo)--確定材料體系和加工方法--材料成分設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)優(yōu)化--性能評(píng)價(jià)--應(yīng)用--產(chǎn)品失效分析，然后進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，直至達(dá)到預(yù)定要求(如圖5—2)。第16頁/共33頁第17頁/共33頁3．1新材料

新材料是指采用新工藝、新技術(shù)合成的具有各種特殊機(jī)能(光、電、聲、磁、力、超導(dǎo)、超塑等)或者比傳統(tǒng)材料在性能上有重大突破(如超強(qiáng)、超硬、耐高溫等)的一類材料。

新材料發(fā)展的標(biāo)志：

①引起生產(chǎn)力的大發(fā)展，推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步。從石器、陶瓷器、青銅，鑄鐵、鋼、塑料到各種新材料的出現(xiàn)，均標(biāo)志著一個(gè)相應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的歷史時(shí)期。例如，單晶硅的問世，導(dǎo)致以計(jì)算機(jī)為主體的微電子工業(yè)的迅猛發(fā)展；光導(dǎo)纖維的出現(xiàn)，使整個(gè)通訊業(yè)起了質(zhì)的變化。

第18頁/共33頁第19頁/共33頁②根據(jù)需要設(shè)計(jì)新材料，一改以往根據(jù)產(chǎn)品功能來選擇材料的方式，而是建立一種由料來設(shè)計(jì)產(chǎn)品的新觀念。這種材料設(shè)計(jì)可以從組成、結(jié)構(gòu)和工藝來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的觀念。更重要的一點(diǎn)是：一種新材料已經(jīng)不是只具有某一單一功能，在一定條件下可能具有多種功能，從而使材料為高新技術(shù)產(chǎn)品的智能化，微型化提供基礎(chǔ)。第20頁/共33頁3．2新材料對(duì)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的影響和作用

新材料對(duì)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的影響的作用，可歸納如下幾方面。①在產(chǎn)品進(jìn)一步電子化、集成化和小型化的趨勢(shì)下，新材料的使用有可能突破傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，甚至還可能引起一場(chǎng)材料與技術(shù)的革命，產(chǎn)生新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)風(fēng)格。因此，設(shè)計(jì)工作應(yīng)與新材料開發(fā)建立一種互相融合的關(guān)系。

第21頁/共33頁②產(chǎn)品外觀形象要具有未來性。新材料的使用，不僅對(duì)產(chǎn)品外觀可以起到新穎美觀獨(dú)特的裝飾作用，使設(shè)計(jì)本身變得更簡潔，合理，更具時(shí)代感。③材料在與功能相適應(yīng)的同時(shí)，還要有良好的觸覺質(zhì)感和更好的可操作性。通過新材料的使用，設(shè)計(jì)應(yīng)最大限度地賦予產(chǎn)品新的魅力。④設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)一步開發(fā)傳統(tǒng)材料，使之在現(xiàn)代生活中具有新的意義。第22頁/共33頁一般認(rèn)為，新材料的研究與開發(fā)主要包括四方面的內(nèi)容：①新材料的發(fā)現(xiàn)或研制。②已知材料新功能、新性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。①已知材料功能、性質(zhì)的改善。④新材料評(píng)價(jià)技術(shù)的開發(fā)。3．3新材料的開發(fā)方向

可以看出，新材料的研究與開發(fā)主要圍繞著材料本身的功能和性質(zhì)這一主題。但是，一種新材料的出現(xiàn)是否對(duì)人類文明產(chǎn)生深刻影響，是否能滿足人類生活的需求，僅僅考慮上述問題則不夠，還必須考慮新材料的產(chǎn)業(yè)化、商品化，這樣才能使人們享受到實(shí)惠，對(duì)人類文明產(chǎn)生促進(jìn)作用。第23頁/共33頁

材料產(chǎn)業(yè)化必須重視如下問題：原料的自然分布，材料的成型與加工性能，材料的可回收率和環(huán)境保護(hù)。從可持續(xù)發(fā)展的角度看，最大效益應(yīng)該是綜合考慮上述幾方面因素的效益。

1、基礎(chǔ)材料的開發(fā)

基礎(chǔ)材料是指金屬、木材、玻璃、陶瓷、塑料等常見材料。這些材料由于其特性的限制，不能在更多的領(lǐng)域中應(yīng)用。因此新材料的開發(fā)往往是對(duì)基礎(chǔ)材料的性能進(jìn)行改良開發(fā)，進(jìn)一步探索材料的組成、結(jié)構(gòu)的性能，以提高或替代原有材料的特性為具體目標(biāo)，使材料揚(yáng)長避短，從而獲得期望的材料特性，擴(kuò)大材料的使用范圍。在日常生活與設(shè)計(jì)實(shí)踐中幾乎離不開塑料，但由于塑料特性的限制使它不能在更多的領(lǐng)域應(yīng)用，因此就對(duì)高分子材料的性能提出了新的要求，如表5—1和表5—2所示。

第24頁/共33頁第25頁/共33頁第26頁/共33頁

2、復(fù)合材料的開發(fā)

復(fù)合材料是指兩種或兩種以上不同化學(xué)性質(zhì)或不同組織結(jié)構(gòu)的材料，通過不同的工藝方法組成的多相材料，它具有單一素材無法取得的機(jī)能。這些機(jī)能包括：①各素材所保持的機(jī)能。②在復(fù)合與成型過程中形成的機(jī)能。②由復(fù)合結(jié)構(gòu)特征產(chǎn)生的技能。④復(fù)合效應(yīng)所致的機(jī)能。

由于可用于復(fù)合的素材種類繁多，所以組合成的復(fù)合材料也不計(jì)其數(shù)。如將之歸類，至少可能有如圖5-5所示的10類。其中每一根線的兩端指示一種可能的組合。第27頁/共33頁第28頁/共33頁①彌補(bǔ)某些有用材料的缺點(diǎn)，以更好地發(fā)揮有用的機(jī)能。②利用具有某些特性的材料以構(gòu)成單一材料無法實(shí)現(xiàn)的特性。③產(chǎn)生從未有的新機(jī)能。復(fù)合材料涵蓋面很寬，目前常采用如下方法分類。①按基體分類：有金屬基復(fù)合材料和高分子(樹脂)基復(fù)合材料。②按添加物的幾何形狀分類：有顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、疊層增強(qiáng)復(fù)合材料、彌散增強(qiáng)復(fù)合材料等。開發(fā)復(fù)合材料的目的：第29頁/共33頁

3．納米材料與納米技術(shù)

納米材料與納米技術(shù)是一種基于全新概念而形成的材料和材料加工技術(shù)，是當(dāng)前國際前沿研究課題之一。

(1)納米材料納米材料是由納米級(jí)原子團(tuán)組成的，由于其獨(dú)有的體積和表面效應(yīng)，它從宏觀上顯示出許多奇妙的特征。①體積效應(yīng)：當(dāng)粒徑減小到一定值時(shí)．材料的許多物性都與晶粒尺寸有敏感的依賴關(guān)系，表現(xiàn)出奇異的小尺寸效應(yīng)或量子尺寸效應(yīng)。例如，當(dāng)金屬顆粒減小到納米量級(jí)時(shí)，電導(dǎo)率已降得非常低，原來的良導(dǎo)體實(shí)際上已完全轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體。②表面效應(yīng)：納米材料的許多物性主要是由表面決定的，大量的界面為原子擴(kuò)散提供了高密度的短程快擴(kuò)散路徑。例如，普通陶瓷在室溫下不具有可塑性，而許多納米陶瓷在室溫下就可以發(fā)生塑性變形。納米材料的塑性變形主要是通過晶粒之間的相對(duì)滑移實(shí)現(xiàn)的。正是由于這些快擴(kuò)散過程，納米材料形變過程中一些初發(fā)微裂紋得以迅速彌合，從而在一定程度上避免了脆性斷裂。

第30頁/共33頁第31頁/共33頁納米加工技術(shù)