造型材料与工艺5

1、第五章 产品设计中材料的选择与开发 产品设计中材料的选择与开发 n设计材料的选用 n材料工程的发展 n设计材料的开发 设计材料的选用 n设计材料的选择原则 n影响材料选择的基本因素 设计材料的选择原则 产品功能的实现是通过材料来体现来体现的。材料与结构是满足 产品的必要条件，通常在材料和结构之间存在着比较确定的关系， 而同时在结构与功能之间又是一种不关系，从而材料与功能 之间 也具有不确定关系。也就是说，为了实现同一功能，可以使用多 种材料，而每一种材料都可以形成合理结构来完成所要达到的功 能，进而产生相应的造型形式。例如：木制椅子和钢管结构椅子， 虽然它们的材料、结构和造型都不同，但它们却实

2、现着相同的功 能。这种“功能”、“造型”和“材料”之间的不确定关系，形 成了丰富多彩的人造世界。然而，由于产品的形成，必须通过各 种加工手段来制造，所以制造技术同样制约着产品的功能与形态。 不同的材料有着不同的特性和结构，有着各自不同的加工方法， 从而也显现出不同的造型特征。这既是对设计的一个考验，同时 也是设计的魅力所在。 面对一个庞大的材料世界，要选择所需要的设计材料的确是一件复 杂工作。如金属材料就有几十万种，高分子材料也有上万种，另外 还有五花八门的陶瓷材料和复合材料。与设计的其他方面相比，材 料的选择是最基本的，它提供了设计的起点。产品设计的过程从某 个角度来说是对材料的理解与认识的

3、过程，是“造物”与“创新” 的过程。当设计师在设计某件产品时，他必须首先考虑应选用何种 材料。材料选择得好坏，对产品的内在和外观质量影响极大。 对于给定的某一产品或其部件，考虑选择材料时，最重要的是这一 零部件的作用，及材料的性能。但设计师要把材料功能性因素、市 场性因素放在相同位置，因为，如果某种材料在计划规定的时间内 不能得到，那么规定采用这种材料是没有意义的。同样，如果材料 的价格比计划的贵，那么也不能考虑使用这种材料。 设计是一种复杂的行为，它涉及没计者感性与理性的判断。与设计 的其它方面相比，材料的选择是最基本的，它提供了设计的起点。 材料选择的适当与否，对产品内在和外观质量影响很大

4、。如果材料 选择不当或考虑不周，不仅影响 产品的使用功能，还会有损于产 品的整体美感。因此，设计师在选择材料时，除必须考虑材料的固 有特性外，还必须着眼于材料与人、环境的有机联系。 设计材料的选择原则 设计材料的选择应遵循的原则： 材料的外观 材料的固有特性 材料的工艺性 材料的生产成本及环境因素 材料的创新 影响材料选择的基本因素 功能 安全性能 外观需求 工艺性能 基本结构要求 控制件 抗腐蚀性 市场 环境 影响材料选择的基本因素 功能性因素 首先应该考虑产品应具有怎么样的功能和所期望的使用寿命。 安全性能。材料的选择应当按照有关的标准正确选用，并充分考虑各 种可能预见的危险。例如，医院的

5、某些电疗设备中与病人接触的部位， 其表面应该选择具有抗静电性质的材料；在设备暴露的位置（如过道 边）配置普通的平板玻璃，就易于碰撞碎裂而造成人身伤害事故；在 设备内部如果选用易泛潮的塑料轴承，就会因隐匿着腐蚀的危险性造 成质量恶化而导致重要的控制器失灵。 外观需求。产品的外观在很大程度上受其可见表面的影响，并采取材 料所能允许制造成的结构形式。因此，外观也是材料选择必须考虑的 一个重要因素。就产品的表面效果来看，材料影响着表面的自然光泽、 反射率与纹理；影响着所能采用的表面涂饰材料与方式；影响着涂饰 的外观效果和在使用期限内的恶化程度和恶化速度。至于形成外观所 需采取的制造工艺和手段。如浇铸、

6、模铸、冲压、弯折或切削，也在 很大程度上依赖于所采用的材料，并影响到造型在经济上是否切实可 行 影响材料选择的基本因素 工艺性能。材料所要求的工艺性能与零部件制造的加工工艺路线有密 切关系。一般金属材料的加工工艺路线，远比工程塑料和工业陶瓷复 杂，而且变化多，这不仅影响零部件的成型，还大大影响零部件的最 终性能。任何零件都是由不同的材料通过一定的加工工艺制造出来的， 因此，作为产品设计人员掌握工业造型材料的制造性能是很重要的。 工艺性能包括：机械性能、物理性能、化学性能、尺寸性能。 影响材料选择的基本因素 基本结构要求 如何综合平衡设计中对产品的功能、人机工程学和美学方面的要求，以 及针对批量

7、生产特点的机械结构、加工工艺难点和由此产生的成本问题 等加以解决。已成为材料选择中的重要问题。其中材料的耐久性应是材 料选择中必须最选考虑的。在大多数情况下，这样的考虑比仅考虑美学 品质或节约成本而选用可能导致产品在使用过程中过早废弃的劣质材料， 显然要有意义的多。 影响材料选择的基本因素 控制件 控制件对材料的选择也有其特殊的需求。例如，操纵键盘的材料应具有 恰当的接触摩擦性和冲击回弹性，以保证可靠操作和手感舒适；用作控 制面板的材料应选择反射率较低并易于在其表面形成图样符号或易于贴 附图样符号的材料制作，以减少眩光和便于指示控制动作。 抗腐蚀性 抗腐蚀性是材料选择的另一个重要准则，因为它影

8、响 着产品的操作、 外观、寿命和维护。在直接涉及人身安全的场合，则必须通过材料的选 择来防止危险的腐蚀。例如，为了保证维修、测试、操作过程的安全， 对设备中必须具备的升降机或其他必须保证生命安全的设备 ，其材料 的选择就应该以保证安全为前提。 影响材料选择的基本因素 市场性因素 设计者必须对目标消费群的要求进行估价。对于材料，要考虑到消费者的 态度往往会受到他们日常接触的各类产品的影响。消费者有时所期望的材 料也许恰恰是设计者并不准备采用的。而且消费者对某些产品所选用的材 料有时还受到传统习惯的束缚。这时一种“新材料”的选用，在一定时期 内未必会被消费者接受。当然，这并不等于说产品选用的材料就

9、必须永远 停滞在传统的水平上。随着科学技术水平的发展，新材料、新技术的不断 出现势在必然。问题在于当我们选择材料替代传统材料时，如何在造型设 计上、在广告宣传上设法让消费者能够更快地适应和接受。 1 可达性。在最初考虑使用某种材料时，设计师应首先了解手边有没有这 种材料。如果没有，那就看能否在规定期限内得到。如果在规定的时间内 不能获得所需的材料，就必须考虑用另一种材料代替。因此可达性是工业 产品设计选材的重要因素。在工业设计中，结构与外观造型密切相关，不 同的结构方式对产品造型的布局和细部处理都有直接的影响。而结构是受 材料制约的，采用不同的材料，所能获得的结构方式以及由此而产生的产 品形体

10、各不相同，质感各异。 影响材料选择的基本因素 2 经济性。选择材料的经济性始终是工业造型设计中十分重要的内容。 在满足使用要求、艺术造型、工艺和可达性的同时，尽可能选用价廉 的材料，最好选用国产材料，使总成本降至最低，取得最大的经济效 益，使产品在市场上具有最强的竞争力。 经济性包括：材料价格、使用寿命、制造性能、零部件的总成本等因 素。 影响材料选择的基本因素 环境性因素 1 选用同类材料。设计产品时尽量采用同类材料，避免多种不同材料， 以便产品回收和再利用。例如，汽车的车门的门体使用了聚丙烯，门中 的齿轮、滑轮等机构也使用聚丙烯，里侧的衬垫使用高发泡聚丙烯，门 内的蒙面采用丙纶织物。这一村

11、料组合在回收时就不用拆卸分类，可以 直接进行再加工。 2 减少表面装饰。用表面不加任何涂、镀的原材料直接制成产品，这也 是出于便于回炉处理和再利用的目的。 影响材料选择的基本因素 环境性因素 3 采用可降解材料。可降解材料是指废弃后能自然分解并为自然界吸收 的材料。在塑料成型加工和使用过程中产生的塑料废弃物，尤其是塑料 包装材料更是令人头疼的环境污染源。 4 废弃物的再利用。充分选用废弃物的再生材料，以利于资源的再循环 利用。对废弃物的再利用，不仅能有效减少可能污染环境的垃圾堆放， 也大大节约了原材料。因此，开发能采用再生材料、甚至直接利用废弃 物制作的产品将是十分有意义的工作，理应成为现代工

12、业设计的一个重 要课题。 材料工程的发展 材料结构成分 材料科学与工程 应用需求 合成与加工材料性能 材料科学与工程领域中的四大主题及其相互关系 材料工程的发展 材料科学与工程领域的新的变化： 1 新构思、新观念不断涌现，成为此领域迅速发展的强大推力 2 营造特殊环境，利用极端手段，制备特殊材料，获取特殊性能 3 强烈依赖其它高新技术，材料领域成为其它高新技术综合应用的实验 地 4 经济实力成为制约材料领域发展速度、深度和广度的关键因素 设计材料的开发 材料体系材料成分设计 加工方法工艺参数优化 实验室性 能测试 显微组织 评价 功能需求 失效分析 应用 性能指标 比较 产品性能 综合评价 材

13、料开发和改进闭环过程示意图 设计材料的开发 n新材料 n新材料对产品造型设计的影响和作用 n新材料的开发方向 新材料 新材料是指采用新工艺、新技术合成的具有各种特殊机能（光、电 声、磁、力、超导、超塑等）或者比传统材料在必能上有重大突破 （如超强、超硬、耐高温等）的一类材料。 新材料发展的标志： 1 引起生产力的大解放，推动社会进步。 2 根据需要设计新材料，一改以往根据产品功能来选择材料的方式 ， 而是建立一种由材料来设计产品的新观念。 新材料对产品造型设计的影响 和作用 新材料对产品造型设计的影响和作用，在以下几方面： 1 在产品进一步电子化、集成化和小型化的趋势下，新材料的使用有可能 突

14、破传统结构，甚至还可能引起一场材料与技术的革命，产生新的产品 和设计风格。因此，设计工作应与新材料开发建立一种互相融合的关系。 2 产品外观形象要具有未来性。新材料的使用，不仅对产品外观可以起到 新颖美观独特的装饰作用，使设计本身变得更简洁、合理，更具时代感。 3 材料在与功能相适应的同时，还要有良好的触觉质感和更好的可操作性。 通过新材料的使用，设计应最大限度地赋予产品新的魅力。 4 设计应进一步开发传统材料，使之在现代生活中具有新的意义。 新材料的开发方向 当今在新技术的驱动下，运用具有新的组合方式、新的形态和新的性质的 各种材料进行新制品的开发会产生令人振奋的效果。 新材料的开发方向 新

15、材料的研究与开发主要包括四方面的内容： 1 新材料的发现或研制。 2 已知材料新功能、新性质的发现和应用。 3 已知材料功能、性质的改善。 4 新材料评价技术的开发。 还要考虑新材料的产业化、商品化 材料产业化必须重视：原材料的分布，材料的成型与加工性能， 材料的可回收率和环境保护。 可持续发展 新材料的开发方向 基础材料的开发 对基础材料的性进行改良开发，进一步探索材料的组成、结构和性能， 以提高或替代原有材料的特性为具体目标，使材料扬长避短，从而获得 期望的材料特性，扩大材料的使用范围。 通用塑料的性能新型特种塑料的性能 轻而硬重而软 易成型不易变形 不耐热，高温下会变形耐热、高温下也变形

16、 不导电、不传热能导电、传热 易燃不会燃烧 不锈不腐能腐 新型材料所期望的特性新型材料所期望的特性 新材料的开发方向 类陶瓷类塑料难燃、耐磨、高弹性、高耐热塑料 类金属性塑料高强度、高导电、高结晶化塑料 类玻璃性塑料透明、耐磨光纤 类生物体塑料 人造皮革、变色树脂、吸水性树脂、除臭树脂、飘香树脂、 保温树脂、形状记忆树脂、防虫纤维、离子交换纤维等 特殊个性塑料磁性纤维、超导纤维、感光树脂等 新型塑料的替代机能新型塑料的替代机能 新材料的开发方向 新材料的开发方向 复合材料的开发 复合材料是指两种或两种以上不同化学性质或不同组织结构的材 料，通过不同的工艺方法组成的多相材料，它具有单一素材无法

17、取得的机能。这些机能包括： 1 各素材所保持的机能 2 在复合与成型过程中形成的机能 3 由复合结构特征产生的机能 4 复合效应所致的机能 新材料的开发方向 金属金属陶瓷陶瓷 塑料塑料玻璃玻璃 可能复合的素材组合方式 新材料的开发方向 开发复合材料的目的为： 1 弥补某些有用材料的缺点，以更好地发挥有用的机能 2 利用具有某些特性的材料以构成单一材料无法实现的特性 3 产生从未有的新机能 新材料的开发方向 新材料的开发方向 复合材料常用如下方法分类： 1 按基体分类，有金属基复合材料和高分子（树脂）基复合材料。 2 按添加物的几何形状分类，有颗粒增强复合材料、纤维增强复合 材料、叠层增强复合材

18、料、弥散增强复合材料等 随着研究的深入，材料的复合向着精细化方向演化，出现了诸如仿 生复合、梯度复合、纳米复合、分子复合、原位复合和智能复合等 新颖方法。 新材料的开发方向 一般材料的产品化过程，分为原材料加工与由材料加工成型构成产 品两个基本过程。然面复合材料的产品化过程则不同，它的这两个 基本过程是同时实现的，所以复合材料的设计就是产品的设计，并 且不同的产品即使采用相同的复合材料也有不同的成型方法与条件。 在设计阶段，不论选用什么材料，同时就应考虑其废弃物的处理， 这已成为现代工业设计的原则。从这一角度来说，复合材料的回收 处理较为困难，易引起环境问题。所以复合材料设计时，必须充分 确认

19、对其处理的可能性。 新材料的开发方向 纳米材料与纳米技术 纳米材料与纳米技术是一种基于全新概念而形成的材料和材料加工 技术，是当前国际前沿研究课题之一。 一、纳米材料 新材料的开发方向 纳米级结构材料简称为纳米材料(nano material)，是指其结构单元的尺 寸介于1纳米100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长 度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且， 其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现 的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该 物质在整体状态时所表现的性质。 纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子

20、(nano particle)组成。 纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1100nm间的粒子，是处在 原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看， 这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介 观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将 宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性， 即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体 时相比将会有显著的不同。 新材料的开发方向 纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，如 原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电，原来绝缘的二氧化硅、晶体 等，

21、在某一纳米级界限时开始导电。这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、 比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，以及其特有的三 大效应：小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应。 新材料的开发方向 小尺寸效应小尺寸效应 随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗 粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒 而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新 奇的性质。 新材料的开发方向 （1） 特殊的光学性质 当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽 而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸 越小，颜色愈黑，银

22、白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。 由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l，大约几 微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光 电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有 可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。 小尺寸效应小尺寸效应 新材料的开发方向 小尺寸效应小尺寸效应 （2） 特殊的热学性质 固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发 现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如，金 的常规熔点为1064C，当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时，则降低 27，2纳米尺寸时的熔点仅为327左右；银的常规熔点为

23、670， 而超微银颗粒的熔点可低于100。因此，超细银粉制成的导电浆料可 以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至 可用塑料。采用超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料 又具高质量。日本川崎制铁公司采用011微米的铜、镍超微颗粒制 成导电浆料可代替钯与银等贵金属。超微颗粒熔点下降的性质对粉末 冶金工业具有一定的吸引力。例如，在钨颗粒中附加0.10.5重量 比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3000降低到12001300，以 致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。 新材料的开发方向 小尺寸效应小尺寸效应 （3） 特殊的磁学性质 人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及

24、生活在水中的趋磁细菌等生 物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向， 具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水 中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。通过电子显微镜的研究表 明，在趋磁细菌体内通常含有直径约为 210-2微米的磁性氧化物颗粒。 小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约 为 80安米，而当颗粒尺寸减小到 210-2微米以下时，其矫顽力可增 加1千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于 610-3微米时，其矫顽力反 而降低到零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特 性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁

25、盘、磁卡 以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广 泛的磁性液体。 新材料的开发方向 小尺寸效应小尺寸效应 4）特殊的力学性质 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶 瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排 列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚 佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者 报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，人 的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。 呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬35倍。至于金属一陶瓷等 复合

26、纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十 分宽广。 超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及 化学性能等方面。 新材料的开发方向 表面效应 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比， 故其比表面积（表面积体积）与直径成反比。随着颗粒直径变小，比 表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。对 直径大于 0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于 0.1微米时， 其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100 米2，这时的表面效应将不容忽略。 新材料的开发方向 表面效应 超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高倍率电子显 微镜对金超微颗粒（直径为 2*10-3微米）进行电视摄像，实时观察发 现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状（如 立方八面体，十面体，二十面体多李晶等），它既不同于一般固体，又 不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子 仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的 不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。 新材料的开发方向 表面效应 超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化 而