工业产品设计及材料选择

工业产品设计及材料选择

学习目标：了解材料工业的开展对产品设计的影响。掌握金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料四大类材料的分类原那么与方法。记住常用材料的组成成分、物理性质、化学性质和用途。体会不同材料设计出的产品带给人们不同的视觉、听觉、触觉和心理感受。材料指可以直接制造成品的自然物与人造物，也可以称之为物质或原料，或称为尚未定型的物。所有材料均以“貌〞呈现给人们，并以此区别不同的物质材料，这便是各种材料的独有特征。设计就狭义方面而言，可解释为：为某一目的而赋予材料形状、色彩和机能，而材料必须符合目的的需要。本章就材料与设计相互间的关系做一番讨论。设计中常见材料

设计中所用材料主要有金属材料、无机材料、有机高分子材料和复合材料四类。金属材料又可以分为黑色金属和有色金属两种。长期以来黑色金属在工程上得到了广泛应用。无机非金属材料和有机高分子材料种类繁多，常用的有塑料、橡胶、玻璃、陶瓷、木材等。非金属材料的使用历史悠久。近几十年来，非金属材料也得到了广泛的研究和飞速的开展，从而适用范围日益增大。复合材料由于性能特殊，是未来前景特别宽广的材料。金属材料金属材料是具有光泽、延展性、导电、传热等性能的物质，除汞外，在常温下均为固体。金属具有较高的强度、硬度及韧性。通常金属材料分为两大类：一类称为铁金属材料，以铁为主，因其色为黑色，故又称为黑色金属。另一类称为有色金属材料，如金、银、铜、镍、铝、铅等，各具颜色，故称有色金属。因金、银金属的化学性质稳定、不易生锈，故又称为贵金属。一种金属元素与其他金属元素熔合而成的物质，称为合金。合金的物理性质已不同于原来的金属，一般合金比纯金属性能优异，合金可到达改善性能及研制新金属材料的目的。黑色金属及其合金黑色金属就是通常所说的钢铁。历史上，钢铁的出现晚于青铜。从使用青铜器到铁器的过渡标志着生产得到了质变的飞跃开展。这个转变在我国发生在春秋战国时期，即公元前770年到公元前221年间。黑色金属包括钢、铸铁和铁合金。在工程上，黑色金属得到了最广泛的应用。在结构和工具材料范围内，钢铁的用量占到了90%以上。钢铁之所以会得到如此广泛的应用，是由于其具有优越的综合工程性能，包括力学性能〔强度、刚度、冲击韧性等〕、冷热加工成型性能、抗腐蚀性能等。此外，价格比较廉价也是重要原因。1.纯铁铁元素的符号是Fe。纯铁质软、价格昂贵，不能作结构材料使用。纯铁〔或通常称为工业纯铁〕的特点是：强度低、硬度低、塑性好。纯铁的用处不多。2.铸铁含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁。由于工艺简单、价格廉价，铸铁在机械中有极其广泛的应用。如按重量统计，在汽车、拖拉机中铸铁件占50%-70%，在机床中占60%-90%。在铸铁中，碳是以石墨形式存在的。石墨的形态在很大程度上决定了铸铁的品种〔灰口铸铁、白口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁〕和性能。1〕灰口铸铁灰口铸铁以其断口面呈灰色而得名。灰口铸铁内，石墨呈片状。灰口铸铁以“灰铁〞二字的汉语拼音首字母“HT〞开头，后加其最低抗拉强度〔以MPa为单位〕来表示。如最常用的灰口铸铁牌号HT150。灰口铸铁在铸成后通常还需经热处理：消除内应力的退火〔也称人工时效〕；或消除白口、降低硬度的退火；或外表淬火以提高硬度和耐磨性。灰口铸铁在机器上有广泛用途，如制作机床床身、机架、机座和许多机器的外壳。2〕球墨铸铁如浇注时在铁水中参加球化剂或孕育剂，那么铸铁中的石墨将呈球状。这将使铸铁的抗拉强度及伸长率有较大提高。这种铸铁因其石墨以球状存在而得名。球墨铸铁的牌号为“球铁〞二字的汉语拼音首字母“QT〞开头，后加抗拉强度〔单位MPa〕及伸长率〔单位为%〕构成。球墨铸铁通常也要后续热处理：为消除应力、改善切削性能的退火；或〔和〕细化组织、提高强度和耐磨性的正火；或〔和〕对小尺寸铸件的调质处理。球墨铸铁可以用来代替重要受力零件的锻件毛坯以降低制造本钱，如内燃机的曲轴等。3〕可锻铸铁可锻铸铁是在浇注成白口铸铁后，经过可锻化退火处理后形成。其仙石墨以团絮状存在，抗拉强度和伸长率均得以提高。但它实际上不像其名称那样可以锻造。日常水、煤气管道中的连接管件〔三通管件、弯头、中低压阀门等〕都是可锻铸铁件。有些机器的外形复杂、受力较大的零件也有用可锻铸铁的，如卡车的后桥。3.碳钢碳素钢简称碳钢，就是含碳量在0.0218%-2.11%范围内的普通铁碳合金。在钢的熔炼过程中会带入许多杂质，杂质会影响碳钢的性能，尤其是有害杂质使钢的性能大幅度下降。因此，在炼钢的过程中，必须有效控制有害杂质的含量。1〕碳钢中的杂质元素①锰〔Mn〕。碳钢中的锰元素因熔炼中使用锰铁脱氧而存在较多，含量可达0.25%-0.80%。锰元素的存在，可以降低碳钢的脆性，它还可与硫元素生成MnS，从而降低硫元素的有害作用，锰的存在还可以改善碳钢的热加工性能。因此，锰在碳钢中是有益杂质。②硅〔Si〕。碳钢中硅元素的较多存在是由于使用硅铁脱氧。在熔炼所谓沸腾钢时〔只用锰铁脱氧〕，硅含量仅0.03%-0.07%；而用铝、硅铁和锰铁脱氧熔炼镇静钢时，硅含量可达0.10%-0.40%。类似于锰，硅在碳钢中也是可以改善其性能的有益元素。

③硫〔S〕。硫在碳钢中的存在是由矿石和燃料〔焦炭〕含硫而带入。硫不溶于铁，而以硫化铁〔FeS〕的形式存在，导致碳钢在加热时晶界上的共晶体融化而裂开〔热脆性〕。因此，硫是有害杂质。④磷〔P〕。磷一般也是有害杂质。在碳钢中，磷局部溶于铁素体中，局部形成脆性很大的Fe3P，使低温下钢的塑性和韧性急剧下降〔冷脆性〕。⑤其他杂质。氧〔O〕的存在对碳钢的力学性能不利；氮〔N〕可导致碳钢的硬度和强度提高但会使塑性下降，脆性增加；氢〔H〕的存在造成碳钢的“氢脆〞和白点等缺陷。所以对这些杂质含量要进行控制。2〕碳钢的分类⑴按含碳量分类①低碳钢。含碳量范围是wc≤0.25%。②中碳钢。含碳量范围是0.25%＜wc≤0.6%。③高碳钢。含碳量范围是0.6%＜wc≤2.11%。⑵按质量分类

按质量分类的含义是控制碳钢中以硫、磷为主的有害杂质的含量。①普通碳素钢。ws≤0.050%，wp≤0.045%。②优质碳素钢。ws≤0.040%，wp≤0.040%。③高级优质碳素钢。ws≤0.035%，wp≤0.035%。⑶按用途分类①碳素结构钢。用于加工制造工程构件和机器零件，大多数是中低碳钢。②碳素工具钢。用于各种工具〔量具、刃具、工具、模具、卡具等〕。⑷按冶炼方法分类①平炉钢。平炉容量大，熔炼时间长，质量高。②转炉钢。转炉容量较小，但熔炼时间短。按吹氧方式又分底吹、侧吹和顶吹三种方式。不同的冶炼方法对钢的质量有一定影响。另外，还有电炉炼钢，用各种电能形式〔以电弧加热为多〕熔炼，本钱较高。但可熔炼各种高级合金钢。3〕碳素钢的常用牌号⑴普通碳素钢〔分为三类〕具体牌号为Q195、Q215、Q235钢应用最为广泛，用于制作钢筋、钢板、农业机械用型钢和不重要的机械零件。⑵优质碳素钢具体牌号从数字10起每隔5表示一种钢种。例如应用最广泛的优质中碳结构钢是45钢，表示其含碳量大致在0.45%左右。10钢和20钢，都是广泛用于冲压和焊接的优质低碳钢。20钢还广泛用作热处理〔外表渗碳〕钢，故又常被称为渗碳钢。65钢，通常用来制造各种弹簧，所以常常被称为弹簧钢。⑶铸钢铸钢是用铸造〔熔化浇注〕方式成型的一种专用钢种。通常用ZG后加表示含碳量的数字来表示铸钢的牌号。其表示含碳量数字的含义与优质碳素钢相同。⑷碳素工具钢和高级碳素工具钢碳素工具钢的牌号有T8、T9、T10、T11、T12和T13。高级碳素工具钢的牌号须在相应的碳素工具钢牌号后面加A〔如T7A〕，表示其质量更好。这类钢种主要用于各种工具，包括量具、刃具、工具、卡具、模具。例如T8通常用来制作冲头和锤子，T9、T10、T11通常用来制作钻头、丝锥、锯条和冷作模具，T12、T13通常用来制作锉刀、刮刀和量规。制作这些工具都要经过热处理，否那么硬度仍无法到达要求。4〕碳钢的热处理热处理是使碳素钢提高和改善其性能的重要工艺过程，否那么各个钢种之间的性能差异不大，许多钢种也无法发挥出其潜在的优异特性。⑴退火退火能降低碳钢的硬度，从而改善其切削性能或消除碳钢零件的内应力。⑵正火将零件加热到Ac3〔亚共析钢〕或Accm〔即SE线，对过共析钢〕以上30-50℃后，空气中冷却。正火由于冷却速度较完全退火快，可作零件的最终热处理或预先热处理，也可作改善切削性能用。⑶淬火将零件加热到一定温度后快速冷却的热处理称为淬火。由于冷却速度很快，在快速转变中铁和碳无法扩散，因此形成碳在铁中的过饱和固溶体，即所谓的马氏体〔记作M〕。马氏体较硬，比较耐磨，在机械上有广泛用途。淬火处理的加热温度：亚共析钢为Ac3以上30-50℃，共析钢和过共析钢为Ac1以上30-50℃。淬火的快速冷却是反加热到一定温度的零件迅速放入淬火介质中实现的。淬火介质通常是不和油。钢在水中的冷却速度较快，故碳素钢适于用水作淬火介质。有时为了加强冷却强度，还需在水中加盐。用油作淬火介质时，零件的冷却速度较慢，适宜于对合金钢的淬火〔淬火冷却速度太快会导致零件淬裂〕。除了上面所述的通常的整体淬火外〔虽然是整体淬火，但实际淬硬的也只是外表一层〕，常用的还有多种外表淬火，也就是用火焰或高频感应加热方法在短时间内对零件外表加热到淬火温度，然后实施淬火。后者在大批量生产中应用较多。⑷回火淬火后再将零件加热到Ac1以下的某个温度，保温一定时间后冷却，这种热处理叫回火。回火的目的是消除淬火后的内应力，防止变形或裂纹，并降低硬度，以到达要求的强度、硬度、韧性和塑性的组合。回火根据其加热温度可分为低温回火〔150-250℃〕、中温回火〔250-500℃〕和高温回火〔500-650℃〕。各种回火中尤以高温回火应用最为广泛，因为此时零件的外表硬度虽然不高〔HRC25-35〕，但零件具有最好的综合机械性能。因此，淬火加高温回火专门被称为调质处理，在机械加工中得到非常广泛的应用。⑸化学热处理用高碳钢经淬火处理可以得到外表的高硬度，可用于需外表耐磨的场合。但由于零件中心含碳量较高，零件中心韧性缺乏。通过外表处理提高零件表层的含碳量，再经淬火提高外表硬度，不仅同样可以到达上述的外表质量，而且可以得到内部的高韧性。①渗碳。低碳钢可以在固体或气体渗碳剂的气氛中，经过一定时间到达外表形成高碳层渗碳，经淬火使外表获得高硬度而耐磨，并能提高疲劳强度，同时获得心部的韧性和塑性。固体渗碳剂通常采用碳粒〔块〕。由于碳在碳钢中的渗透和扩散速度很慢，渗碳需要较长时间。②氮化。氮化处理可以更大地提高碳钢零件外表的硬度、耐磨性、疲劳强度和抗腐蚀性。③碳氮共渗〔氰化处理〕。性能介于渗碳和氮化之间。由于氰化物有剧毒，现已少用。4.合金钢1〕合金结构钢①低合金高强度钢。如16Mn，少量Mn的参加，使其强度比Q235钢提高20-30%，耐腐蚀性提高20-30%。②合金渗碳钢。常用的合金渗碳钢20Cr的性能要比用作渗碳钢的优质低碳钢20要好许多。20Cr的典型热处理工艺过程是：渗碳—直接淬火—低温回火。③合金调质钢。与典型调质用优质中碳钢45相对应的合金调质钢是40Cr，它比钢45的性能也有相当的提高。④弹簧钢。与优质碳素钢的高碳弹簧钢65对应的合金弹簧钢是65Mn，更发一点的是60Si2Mn。⑤滚珠轴承钢。这是一类专门用于制造滚珠轴承的钢种，牌号前专门冠以“G〞〔汉语拼音，表示“滚〞〕，以区别于同型号的普通合金钢。如GCr15。滚珠轴承钢的典型热处理工艺过程是：球化退火—淬火—你温回火。2〕合金工具钢由于工具使用条件的严酷，因此合金工具钢的普遍特点是：合金含量高，且大量使用稀贵合金元素〔如钨、铝、钒、铬等〕。①刃具钢。用于制造各种刃具。如低合金刃具钢9SiCr、高速钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2和W6Mn5V2。②模具钢。分冷模具钢和热〔锻〕模具钢。冷模具钢如Cr12、Cr12MoV；热锻模具钢如3Cr2W8V、5CrNiMo。一般，量具没有专用钢材，简单量具可用高碳钢制造，复杂量具可用低合金刃具钢制造，高精度的复杂量具可用CrMn和CrWMn钢制造。3〕特殊性能钢特殊性能钢主要有不锈钢和耐热钢两类。不锈钢要求耐腐蚀，耐热钢要求抗氧化和抗高温蠕变。耐腐蚀和抗氧化有共同性，因此有的钢种既是不锈钢，也是耐热钢。特殊性能钢中也大量应用合金元素〔如铬、镍、铝、钒等〕，且合金元素的用量较大，以到达耐腐蚀或耐高温的特殊性能。常用不锈钢。Cr18Ni9、1Cr18Mo10Ni5Mo3N。常用耐热钢。3Cr18Ni25Si2、1Cr18Ni9Ti。后者也是一种典型的不锈钢。有色金属及其合金除了钢铁外的所有其他金属统称为有色金属。有色金属中，目前应用最广的是铝和铜及其合金。有色金属的品种很多。许多稀有金属能用于航天、航空、军事等领域及其他特殊场合。随着技术的开展和进步，许多稀贵金属的本钱有了大幅度的下降，加上其优异特性，有可能逐步进入普通用途领域。例如相对密度小、熔点高、热胀低、导热差的金属钛以其质轻、高强、耐高温、耐腐蚀以及低温下韧性好的特殊性能而被誉为“太空金属〞。钛及其合金可制成在500℃以下政党工作的零件，如超音速飞机和导弹中的构件。但过去由于其价格特别昂贵、加工条件复杂，只能在航天航空工业中应用。随着加工技术的进步，其本钱已有大幅度下降。因此，目前在眼镜架及许多金属装饰件或其外表开始得到越来越多的应用。尽管如此，钛及其合金目前的价格仍较高，只能用于高档商品上。许多用于金属和非金属外表涂镀装饰的金属也大多是稀贵金属，由于用量少，性能好，也正得到越来越广泛的应用。1.铝和铝合金铝的相对密度为2.7，仅为钢铁的三分之一。铝合金的强度可到达与低合金高强度钢接近。铝的导电性能好，仅次于银、铜和金。铝靠电解铝矾土得到，资源丰富。铝抗大气腐蚀的性能好〔但接触酸、碱或盐类后的抗腐蚀性不佳〕。铝的加工性能好：可冷成型，切削性能好，铸造性能也好。因此，铝的应用十分广泛。1〕纯铝纯铝按其纯度有以下几类：①高纯铝。纯度达99.93%-99.99%,牌号是L01-L04。一般用作制造电容器。②工业高纯铝。纯度为98.85%-99.9%，牌号是LG1-LG5。用作制铝箔、包铝以及熔炼铝合金。③工业纯铝。纯度为98.0%-99.0%，牌号是L1-L5。用于制作电线电缆及配制合金。2〕铝合金⑴变形铝合金通过添加合金元素获得高强度，同时保持良好的加工性能。①防锈铝合金。其塑性和可焊性能好，但切削性能不好〔太软〕。牌号如LF21为铝锰合金，可用于制作容器、管道、焊接件、深拉延或弯曲的低载零件和制品、铆钉等。另有LF5、LF11是铝镁合金，用途根本相同。②硬铝合金。为铝、铜、镁的合金，另含少量锰。·低合金硬铝。牌号LY1，LY10；塑性好，强度低，只能制作铆钉。·标准硬铝。牌号LY11，强度和塑性中等，可制作轧材、锻材、冲压件、螺旋桨叶及大型铆钉等。·高合金硬铝。牌号LY12、LY6，塑性较差，但强度好。可制作航空锻件、重要的销和轴。·超硬铝合金。系铝、镁、锌、铜的合金。牌号如LC4，可制作飞机起落架、大梁等重要零件。·锻铝合金。牌号有LD5、LD7、LD10。分别为铝、镁、硅、铜或铝、铜、镁、铁的合金。可制作受重载的锻件和模锻零件。⑵铸造铝合金①铝硅合金。如ZL101、ZL104、ZL105、ZL106、ZL107、ZL108、ZL109、ZL110等。可铸造活塞、电动机壳体、汽缸体等。②铝铜合金。如ZL201、ZL203。高强、耐热，但铸造性能稍差。也可制造活塞、汽缸体等。③铝镁合金。如ZL301、ZL302。耐腐蚀性强，铸造性能稍差。可铸造船艇配件及氨用泵体等。④铝锌合金。铸造性能差。可铸造发动机零件、复杂仪器元件及日常用品。

铝合金是设计中广为应用的材料。如图1所示的是用铝合金设计的台灯。2.铜和铜合金铜是电和热的良导体，铜对大气和水的抗腐蚀性强，在电子设备中常用于磁屏蔽。铜的加工性能好，易冷热成型；铜的铸造性能也很好。此外，铜的色泽很美观。因此，铜的应用广泛。铜的有些合金还有一些特殊的性能。例如青铜和黄铜有很好的减摩性及耐磨性；磷青铜和铍青铜具有很高的弹性和疲劳极限，在电器中得到广泛应用。铜及其合金的价格较贵，限制了其应用范围。1〕纯铜纯铜即紫铜，牌号为T1-W。纯铜多用于制造导电材料及配制合金。2〕黄铜黄铜是以铜、锌为根底的合金。⑴普通黄铜黄铜的牌号为H96-H59。“H〞为“黄〞的汉语拼音首字母，后面的数字表示铜的百分含量。当锌含量在30%-32%以下时，合金的强度随锌含量的增加而提高。但超过45%以后，强度和塑性急剧下降，故黄铜中的锌含量最高不超过41%。H80-H68一般用于冷轧型材及复杂的深冲压零件；H59-H62多用于热轧型材及铸造零件。⑵复杂黄铜复杂黄铜的牌号表示为：H〔黄铜首字汉语拼音首字母〕+主加合金元素符号+铜含量+主加元素含量。例如HPb60-1，表示铅黄铜，铜含量60%，铅含量1%，复杂黄铜有以下五类：①铅黄铜。有良好的切削性和耐磨性，适于制造钟表零件、轴瓦和铸造轴承衬套。②锡黄铜。对海水的抗腐蚀性好，适于制作海船零件。③铝黄铜。对大气的抗腐蚀性好，适于制造海船及其他机器零件、大型蜗杆。④硅黄铜。铸、焊和切削性能都好，适于制造船舶及机器零件。⑤锰黄铜。高强度但不降低塑性，对海水的抗腐蚀性好，适于制造船舰零件和轴承。3.镁、锌、锡、金、银①镁，符号Mg。银白色、质轻。镁和铝的合金是制造飞机的重要材料。②锌，符号Zn。质脆，大多用作压铸合金或钢板的防腐镀料。③锡，符号Sn。纯锡为银白色，富有延展性，在空气中不易变化，多用作镀铁、焊接金属或制造合金。④金，符号Au。赤黄色，质柔软，延展性强，化学性能稳定。属贵重金属，合金常用于制造货币和装饰品等。因难于氧化，故设计中常在装饰部位或电器接点处作镀金处理。如图2所示的是镀金的门把手。⑤银，符号Ag。呈白色，质软，延展性很强，是热和电的良导体。在空气中不易氧化，常用作镀金属器物。银合金可制造货币、日用器皿和装饰品。如图3所示的是用银合金设计制造的器皿。无机非金属材料

无机非金属材料分子量低，属于无机物质。一般来源于天然的物质，如天然石材、玻璃、陶质材料、木材、无机胶凝材料等。陶瓷陶瓷是陶器和瓷器的总称。硅酸盐材料是陶瓷的重要组成局部。由于近代无机非金属材料的开展，“陶瓷〞的概念扩大了，故所有的无机非金属材料统称为陶瓷。陶瓷材料具有极好的耐热性能和化学稳定性，这些性能可满足一些较高的使用要求。如刚玉瓷，可耐1700℃高温。透明的刚玉可制作高压钠灯。氮化硅和氮化硼几乎接近金刚石的硬度，可制作比硬质合金更优良的刀具。但陶瓷性能脆性极大，抵抗内部裂纹扩展能力低。传统陶瓷，是以粘土、长石、石英等天然原料为主，经粉碎、成型、烧结工艺制成的产品。主要包括日用陶瓷如图4所示；建筑陶瓷、卫生陶瓷，如图5所示；低压和高压陶瓷，耐酸碱的化工陶瓷以及具有过滤和隔热功能的多孔陶瓷等。特种陶瓷是指金属氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物、氟化物等化工原料制成的具有多种优异性能的陶瓷。它广泛应用于化工、冶金、机械、电子、能源和尖端科学技术领域中。玻璃玻璃是以石英砂、长石、石灰石，纯碱等为主要原料，参加一些金属氧化物等，经高温熔化成型，冷却后形成透明的固体材料。其主要成分是二氧化硅、氧化钠和氧化钙。玻璃因其透明和色彩丰富而用途广泛。按其用途划分，玻璃可分为：容器玻璃、仪器及医疗玻璃、平板玻璃、电真空玻璃〔电光源和电真空器件外壳，如灯泡灯管壳、真空管壳等、显像管壳〕、光敏玻璃〔用于光掩模材料和光开关器件等〕工艺美术玻璃〔如图6所示的是用彩色玻璃设计制造的玻璃花瓶〕、光学玻璃〔各种光学镜头等〕、光纤玻璃〔拉制光纤，用于激光信号传输通信〕、建筑玻璃〔玻璃砖、玻璃大理石及建筑玻璃制品等〕、照明器具玻璃〔灯罩等〕、纤维和泡沫玻璃〔隔热保温材料及制造复合材料〕等等。平板玻璃是玻璃中用量最大的一种。平板玻璃有多种再制品，或称为加工板玻璃。加工板玻璃主要有：①毛玻璃。即磨面板玻璃。如用掩模，那么可加工成各式花纹图案。②组合板玻璃。即夹胶玻璃或称平安玻璃，用胶将两层玻璃粘合而成。可用作车辆的风挡玻璃。③钢化板玻璃。将玻璃加热到软化程度〔600-650℃〕，用夹具使之维持所需的空间曲面形状后用冷风使其急冷而成。风冷钢化玻璃不易破碎。一旦受到强大外力而破碎后，全部碎成无尖角的碎片。因此，可用于汽车的风挡玻璃。其缺点是需要较高的模具费用。木材木材是人类使用最古老的造型材料之一。木材取之于森林，而森林在生态、资源和环境保护中有其特殊的意义。森林本身又不是能迅速得以成长和恢复的，因此近年来各国都特别强调节约木材，限制木材的使用以及综合利用有限的森林资源。木材质轻，有美丽的天然色泽和花纹，易加工，易涂饰，电和热的传导率低。但易变形，易燃，各向异性以及吸湿性使其在使用时又存在一定的缺点和局限性。此外，由于大多数木材是天然生成〔另有少数是木材的再制品〕，不可防止存在树节、虫害、弯曲变形、裂纹等缺陷，加上运输和储存中可能造成的变色、腐朽，使加工选料增加了难度，也降低了木材的利用率及使用外观效果。木材的加工成型前必须经过枯燥，使其含水率符合使用要求。木材枯燥后能防止收缩、裂纹和变形，使制品质量保持稳定，结构巩固、平整、美观、耐用，防止变质和腐朽。木材枯燥的同时还能够除去木材中的局部胶性物质。木材可以采用大气〔天然〕枯燥和人工枯燥两类方法。天然枯燥利用空气流通到达，设备简单，容易掌握，费用低，但时间长，占用场地，枯燥效果与枯燥场地环境以及自然条件〔如气候〕等有较大关系，质量不易保证。人工枯燥时间短，但需相应设备。目前所用较多的是蒸汽窑或红外线〔电加热〕窑等。常用木材有原木和人造板材两类。原木即人工采伐得到的树干，经去皮后按一定规格锯成一定尺寸的木材。原木除可直接用作电杆、桩木、坑木外，一般都要经纵向锯割制成锯材，即板材和方才〔通常以宽度为厚度的三倍来划分〕。人造板材那么是利用原木、刨木、木屑、小材、废材以及其他植物〔如竹材〕或其纤维等为原料，经过机械或化学处理制成的板材。人造板提高了木材的利用率。常用的人造板材有：①胶合板。奇数层〔三层、五层等〕的薄单板热压胶合而成。各层间木纤维方向互相垂直。胶合板平整，不易干裂、翘曲，适于制作大面积板状部件，如家具、隔墙、天花板以及吊顶、护壁板等室内装修。②刨花板。用木材废料加工成刨花后，经加胶热压制成的板材。刨花板幅面大，外表平整，隔热、隔音性能好，纵模强度一致，加工方便，外表还可以进一步贴面或装饰，价格也比较廉价。但不宜用于潮湿处。③纤维板。纤维板利用木材加工的废弃料或植物纤维，经破碎、浸泡、制浆、成型和热压等工序加工而成。按容重分为硬质、半硬质和软质三类。纤维板材质均匀，各向强度一致，不易胀缩和开裂，隔热隔音，加工性好。可用于各类家具的背板、底板和顶板等非外露部件，也可作隔热吸音材料。④细木工板。这是一种拼命结构板材，板心用细小木条拼接而成，外面再胶合两层面板。细木工板质地坚硬，板面平整，结构稳定，不易变形。细木工板广泛用于板式家具的部件材料。⑤空心板。空心板与细木工板的区别在于空心板的中板是由空心的木框或带少量填充物的木框构成，两面再胶压上胶合板或纤维板。空心板质量轻，两面平整美观，尺寸稳定，有一定的强度，且隔热隔音，是制作家具的良好轻质材料。⑥塑料贴面板。塑料贴面板是人造板材的二次加工产品，可保护和美化人造板材外表，扩大其使用范围。贴面层可以是薄木单板贴面，三聚氰胺〔塑料〕贴面〔装饰板〕，印刷装饰纸贴面，聚氯乙烯薄膜贴面等几种贴面处理，以及木纹直接印刷，透明涂饰和不透明涂饰等外表印刷涂饰处理。如三聚氰胺贴面装饰板是将三聚氰胺树脂浸渍过的纸胶贴到各类人造板上，其外表硬度大，耐磨，耐热，耐化学药品，抗酸碱、油脂和酒精，外表平滑，易清洗，适合在各类家具中应用。有机高分子材料

有机高分子材料亦称为〞大分子化合物〞、“高聚物〞。通常有机高聚物的分子可高达数千乃至数百万以上。分为天然和合成两大类。天然的如纤维素、天然橡胶等。合成的多由单体经聚合反响而成，如合成橡胶、合成纤维、合成树脂等。日常接触的绝大局部是由低分子化合物聚合而成的高分子材料，如聚乙烯、氯丁橡胶、涤纶纤维等。橡胶橡胶是一种高分子弹性材料。其特点是在很宽的温度范围〔-50—150℃〕内有优越的弹性。所谓弹性大是指在较小的负荷下产生很大的变形，而除去负荷后又能很快恢复原始状态。材料的弹性可以用其弹性模量来表示。橡胶的弹性模量仅为钢铁的三万分之一，在相同的拉伸负荷下，橡胶的相对伸长会是钢铁的300倍。橡胶可分为天然橡胶和人工合成橡胶两类。天然橡胶是采自于橡胶树树皮上的一种白色黏液。天然橡胶具有最正确的综合机械性能，但产量有限，使其应用受到了相当的限制。人工合成橡胶的种类有上百种，常用的就有丁苯胶、顺丁胶、异戊胶、氯丁胶、丁脯胶、硅橡胶、氟橡胶、丁基胶等等。人工合成橡胶也可按其性能和使用范围分成通用合成橡胶和特种橡胶。前者广泛用于轮胎、运输带、胶管、密封件、减振装置等各种工业制品，各种日常用品以及医疗器械中。特种橡胶在上下温时有良好的性能以及对酸、碱、油、辐射等介质有良好抗性，多用于有特殊要求的场合。例如硅橡胶有良好的耐上下温〔-90—300℃〕特性；氟橡胶具有优异的对酸碱和强氧化剂的耐腐蚀性能；丁脯胶的耐热、耐燃性能以及对常用的有机溶剂的耐受性很好〔但耐寒性差，耐酸性也差〕；氯丁胶的耐紫外光和抗老化性能很好，被称为“万能橡胶〞〔但其相对密度大，耐寒性和电绝缘性也差〕。普通橡胶具有良好的绝缘性能，可用作电线包皮等场合。特殊橡胶中有所谓导电橡胶，常用于制作计算器、各种遥控器的按钮。橡胶制品的制作成形通常有混炼和硫化两大步。混炼是将橡胶的各种组分〔橡胶、填料及各种改性添加剂〕经配制、混合，炼制成混炼胶；然后将混炼胶搓揉成适宜形状后填入橡胶模具的型腔内进行硫化成型。通用橡胶的性能及用途见表1塑料合成树脂是具有塑性的物质。按其加热后性质的变化和成型工艺的特点又可分为热塑性和热固性树脂两大类。热塑性树脂变热后可软化，具有流动性，在外力作用下成型，冷却后即固化。热固性树脂变热后具有流动性，成型冷却后不能再度软化。为改善单一树脂加工或制作性能的缺乏，在使用时参加填充剂、增塑剂、稳定剂、着色剂等添加剂形成新的材料，称为塑料。每一种塑料都有其特殊的性能。但他们又具有某些共性：①无色，可任意着色。②质轻，比强度〔单位重量所能到达的强度〕高。③质硬，弹性和柔性好，耐磨。④化学稳定性好，耐腐蚀性好，耐紫外光好，耐候性好。⑤电绝缘性和热绝缘性好。⑥吸振，消声。我们要根据各个具体的使用环境和条件选用最适宜的塑料品种。塑料按其应用范围通常分为三类：①通用塑料。主要指聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料等。占塑料总产量的3/4以上，设计中广为应用。②工程塑料。指作为结构材料在机械装备和工程结构中使用的塑料。常用的品种有聚甲醛、尼龙、聚碳酸酯、聚砚、ABS、聚苯醚、环氧树脂等。③其他塑料。即指具有某种特异功能，满足特需的塑料，如医用塑料等。1.通用塑料塑料中，以俗称“赛璐珞〞的塑料应用历史最长。通用塑料根本上都是烯烃类的聚合物。目前应用最广的通用塑料有：1〕聚乙烯〔PE〕聚乙烯为白色或浅色半透明固体，在塑料中相对密度最小，比水轻。电绝缘性和高频特性优良。相对于分子质量较大，抗拉强度和延伸率也随之提高。2〕聚丙烯〔PP〕聚丙烯的机械性能〔强度、刚性、硬度等〕较聚乙烯好，且绝缘性能〔尤其对高频电〕也好，耐热性那么极好，可到达150℃时不变形。在设计中可用于各种机械零件和化工零件，以及需煮沸消毒的医疗器械和各种容器。3〕聚氯乙烯〔PVC〕聚氯乙烯分软、硬两种。软质聚氯乙烯通常用来制作工业用包装薄膜，电线电缆的绝缘层和密封件。硬聚氯乙烯的抗拉强度，耐水、耐油性能和化学稳定性都很好，常用来制作化工部件。由于聚氯乙烯有毒，因此用聚氯乙制造的零部件不能接触食品。尤其是用软聚氯乙烯制作的工业包装薄膜，千万不能用于存装食品。发泡后制成聚氯乙烯泡沫塑料，质轻、隔热、隔音、防振，可用作各种衬垫、保温隔振材料。4〕聚苯乙烯〔PS〕聚苯乙烯的绝缘性能〔尤其是高频绝缘〕、耐腐蚀性〔但不耐有机溶剂，如汽油、苯〕都好，不吸水，常温下较透明〔常温下仅次于有机玻璃〕，耐冲击。聚苯乙烯发泡后〔俗称聚苯或苯板〕的相对密度仅有0.033t/m3，为水的1/30，是隔声、包装和打捞方面应用的绝好材料。尤其是在包装方面有广泛的应用。目前家电、仪器设备的包装箱内，多数都用成型的发泡聚苯乙烯或散装发泡聚苯乙烯小块来隔振，以保证产品在运输过程中的平安。5〕酚醛〔PE〕酚醛是应用历史很长的一种塑料。俗称电木〔因其多用木粉作填料而得名〕。它的电绝缘性能很好，也能耐相当的高温，价格又比较廉价，因此长久以来在各种电器上得到广泛应用，尤其是各种普通电器的外壳长久以来一直是酚醛的天下。为了提高强度，在层压时参加布层那么得到夹布胶木。夹布胶木在强电电器设备上多用作安装电器的底板，也可制造耐冲击的轴承、齿轮和离合器。日常生活中，用夹布胶木制作的梳子也十分常见。6〕氯基塑料氯基塑料是目前热固性塑料中应用最多的，俗称“电玉〞，因其颜色鲜艳、半透明而得名。由氨基化合物〔主要是尿素〕与甲醛缩合而成。尿素与甲醛的综合产品是脲甲醛塑料〔UF〕，可用于制作装饰品及各种生活用品。其发泡材料是良好的保温和隔热材料。另一类氯基树脂是三聚氰胺甲醛树脂〔蜜胺甲醛树脂，MF〕可长期在沸水中使用。氨基树脂还可作木材粘合剂，用于胶合各种纤维板、胶合板、装饰板。2.工程塑料工程塑料的种类极多,这里只将几种应用较多的做简略介绍。1〕聚酰胺〔PA〕聚酰胺的商品名称是尼龙，在合成纤维中又称锦纶。尼龙品种很多，如PA6、PA66、PA610、PA1010等。尼龙的耐磨性和自润滑性极好，韧性和强度均高，且有抗霉、抗菌性，无毒，成型性好〔有的可以浇注〕，因此可用以制造耐磨、耐腐蚀的各种传动和承载零件，在机械工业中应用最广。2〕聚碳酸酯〔PC〕由于其优良的综合机械性能〔尤其是抗冲击韧性和尺寸稳定性，在所有热塑料中比较突出〕和良好的透明度而被誉称为“透明金属〞。与其他热塑性塑料一样，可参加玻璃纤维、碳纤维或硼纤维等增强材料而成为增强塑料。聚碳酸酯塑料在机械、仪表、电讯、交通行业中应用。如齿轮等各种传动零件、耐高压的各种垫片、垫圈、套管、飞机驾驶室的风挡玻璃等等。3〕聚甲醛〔POM〕聚甲醛具有优良的综合性能。与尼龙相比，吸水性较小，尺寸稳定性好，并具有较高的弹性模量、硬度、刚度、耐疲劳和抗蠕变性能及优良的耐有机溶剂的性能。但热稳定性较差，成型加工中要严格控制温度另外，收缩率大，遇火会燃烧，长期在大气中曝晒会老化。可用于制造结构件和耐磨零件，如轴承、齿轮、凸轮、阀杆、仪表板及化工容器与管道。4〕ABS这是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，具有优良的综合机械性能。还可以将其中的一或二元链接到其他分子的主链上，形成ACS、AAS等多种共聚物。ABS不透明，耐热，耐冲击，外表硬度高，化学稳定性和电性能良好，易于成型加工，外表还可镀铬。ABS在航空工业，汽车工业，冷冻器械，电讯和日用品方面都有广泛应用，如汽车仪表板、挡泥板、齿轮、轴承、旅行箱等。3.其他塑料1〕氟塑料以聚四氟乙烯〔F-4〕为代表的氟塑料，具有耐高、低温，耐腐蚀耐气候，电绝缘好等一系列的优异性能，因而在许多特定的领域具有其他塑料不可替代的应用。例如其抗腐蚀性优异，可抵御王水等强酸碱，化学稳定性超过玻璃、陶瓷、不锈钢、金和铂，因而被称为“塑料王〞。但其缺点是机械强度不甚高，热胀冷缩大，且价格贵。当温度到达390℃时分解并放出有毒气体。故加工时要注意防护和严格控制温度不能用注塑法加工，一般常用冷压烧结法成型。由于其优异的特殊性能，在特定场合中应用很广泛，如制造人造血管、人工心肺。不粘锅的“特氟隆〞涂层也是一种氟塑料。用于太阳能利用器件中的“泰氟龙〞透明薄膜对紫外光的抗老化性能极佳，且对太阳光的透过率可到达95%以上。2〕聚砜〔PSF〕聚砜的特点是机械强度高，可在冲击强度大的环境中长期使用。故用于制造汽车护板、仪表板、风扇罩等零部件和印刷电路板。其缺点是对酮等溶剂不稳定，且成型温度较高〔300-350℃〕。3〕有机玻璃〔PMMA〕有机玻璃是甲基丙烯酸甲酯的俗称。它的透光性好，对太阳光的透过率达99%。其着色性也好，故可制成各种颜色的板材。其缺点是外表硬度不高，易擦伤变毛。另有372塑料，系甲基丙烯酸甲酯与苯乙烯的改性共聚物。在50℃时不变形，在-40℃时也不会冻裂，且冲击强度高。372塑料有时也被人俗称为有机玻璃，但实际上它与PMMA不完全相同。4〕环氧树脂〔EP〕环氧树脂的品种很多。其强度很高，有良好的化学稳定性和尺寸稳定性。但价格贵，且毒性大〔某些树脂和固化剂〕，故应尽量不用。在电子电器工业中，多用于包装和封装。还可以用于制作塑料模具，在单件小批量生产中时有应用。设计中，经常用该材料制作模型。5〕有机硅塑料有机硅塑料的特点是耐寒耐热，但强度低，本钱高。有机硅树脂本身还用于合成橡胶中。在化装品制造中也有应用。在快速产品开发中可用作快速模具材料制作模具，与快速成型技术结合能将一个样品翻制成十数件甚至更多的制品。纤维纤维分为天然纤维与合成纤维，天然纤维主要有纤维素等。合成纤维主要有涤纶〔确实良〕、锦纶〔尼龙〕、腈纶〔人造毛〕、维纶〔维尼纶〕、丙纶、氯纶、氟纶和芳纶等。合成纤维具有强度高、比重小、耐磨、不霉不腐等特点，设计中广泛用来制作衣料、帘子布等，在交通运输等方面也广为应用。合成纤维的性能与用途见表2。复合材料复合材料是指金属与金属、金属与非金属或非金属与非金属复合而成的多相体系，即但凡两种或两种以上不同化学性质或不同组织结构，以微观或宏观的形式组合而成的新材料，均可称为复合材料。复合材料的兴起是从1932年玻璃钢问世开始。复合材料的性能指标大大超过各组成材料性能指标的总和，其特点是：比强度和比刚度高、抗疲劳性能好、减振能力强、高温性能好、断裂时的平安性高。复合材料还可以实行整体一次成型，从而可减少制品的零部件、紧固体和接头的数目，材料的利用率也高。所以复合材料是工业设计领域中前途十分广阔的应用材料，也是21世纪材料科学领域重点开展的材料之一。目前，在复合材料领域尤以纤维复合较多。在纤维复合材料中使用的纤维有陶瓷〔包括玻璃〕纤维、碳纤维、硼纤维和难熔金属丝。复合材料的种类见表3随着技术革新的浪潮的高涨，作为技术革新支柱的新材料正在飞速开展。设计师也在永无休止地寻求新功能的材料。其研究开发的课题主要有：功能材料及其应用；金属系列、塑料系列、无机物系列等材料的创新等。金属系列—超硬合金、形状记忆合金、纤维强化金属复合材料、超导材料、无磁材料、超细金属粉末、高温合金、高耐蚀性合金、贮氢金属、多孔金属和隔音防震金属等。塑料系列—工程塑料〔高功能树脂—聚酰胺、聚碳酸酯、聚苯醚等〕、生物工程学的高分子材料、电子技术用高分子材料和功能薄膜材料等。无机物系列—高温耐热陶瓷、超硬陶瓷、超高硅光导纤维、高弹性碳素纤维、传感器用材料、电子材料、耐热透光材料〔氧化铝〕、无机粘接材料、高温润滑材料和原子反响堆材料等。总之，作为设计用材料，均应具有一定物理性质、化学性质、内部结构〔或组织〕、外表状态、加工性能和耐久性等特点。设计师在研究材料性质的同时，还应对材料给人的感觉加以分析与研究。这些感觉主要包括：材料受光照后对视觉刺激所产生的外表肌理的视觉感觉；因触觉而判别材料的厚度、硬度、光滑、粗糙、冷和暖等的触觉感受；因听觉的刺激而产生的质地、质量、形状、厚薄等联想所产生的听觉感受；因材料的理化作用引起的生理感受进而引起的心理反响的感受等。材料工业的开展对产品设计的影响材料工业日新月异的开展给产品设计带来了无限的可开展空间，世界上千姿百态产品之所以具有现实的可能性，归根结底有赖于新材料、新工艺的开展。工业化以后，材料技术的开展极其迅速。制造商出于降低造价扩大市场以及争取生产制造过程的有效性这两方面的动机，竭力尝试寻找新材料，而新材料的出现立刻向设计师提出了挑战。步入20世纪，材料领域的开展空前高涨，在考虑新材料的廉价和有效性的同时，设计师开始考虑其美学上的可能性，以适应新时代的要求。金属系列在钢中参加各种金属那么制成合金，合金以一种崭新的形式应用于设计从而引发了一声设计革命，其中钢管椅应运而生。如图7所示的是瓦西里椅子，1925年由现代设计大师、匈牙利人马歇尔·布鲁尔设计，并以苏联著名艺术家和包豪斯学院导师瓦西里·康定斯基的名字命名，这是钢管与皮革组合的极佳样板。如图8所示的是两款配胡桃木的椅子，假设没有不锈钢支柱的承托，就会变为传统的家具，而毫无新意。合金可制成各种用品，从烟灰缸、台灯到；咖啡壶〔如图9所示〕，各种品类和式样使人们生活的世界充满活力，多姿多彩。如图10所示的是全不锈钢的洗手盆，盆底采用弯曲的造型，配合流水，形成圆润的美感。另一种影响设计和产品制造的金属是铝。19世纪以来，人们一直在寻找一种将铁的强度与铜的传导性相结合的金属，而名恰恰具有这样的特性。它耐腐蚀有较高的导热，导电性能，可塑性强，对许多功能来说，都较理想。从铝土矿中提炼纯铝的技术在19世纪末即有了。1894年，“英国铝公司〞成立，标志着现代铝制品工业的开端。然而，以商业规模大量生产铝制品，是到了20世纪20年代以后才成为可能。铝在设计制造中的使用极为广泛。图11所示的是全新设计的空气椅，荣获由德国Hannover颁发的2002年度IF设计银奖。其设计所标榜的是有如气体般轻盈的椅身，其中的奥秘是创新选用轻盈的铝金属，配以新型复合材料为材质的椅背及坐垫，来到达降低产品重量的效果。铝合金用于厨房器皿、家具，甚至还广泛用于机动车制造上。铝可以铸、压、旋，这些工艺最后导致一系列新的产品形式的出现。图12所示的是荷兰设计师理查·赫顿设计的椅子，选用铝材，外形酷似蜂巢，有储存的盖子和循环式的外形。可储存物品，这张椅子的成功设计源于一连串的选择。图13所示的是以纯名制成的极具质感的六面方体烟灰缸。设计师改变了刻板印象中的烟灰缸概念，其中可用以承载烟灰的一面完成其功能，而周围的五个面所显示的那么是它的概念性。运用纯铝的材质美，更好地阐述了设计师在平凡中寻求新意的设计理念。图14所示的是由折曲铝薄片制成的工具架，架子适合摆放电视影音器材，极具时代感。塑料系列

20世纪30年代塑料在改变产品面貌上起了极大的作用。自此几十年，塑料占据了产品市场绝对重要的地位，甚至改变了人们对生活环境中许多产品的看法。塑料为合成材料的统称，早在19世纪中叶，由于城市人口剧增，迫于制造业为自然材料短缺而产生的压力，人们开始探讨合成材料。最早研制成功的是1869年美国人创造的赛璐珞，获专利；1897年，德国人又创造了酪蛋白；1909年，美籍比利时创造家贝克兰第一次将他研制的一种褐色材料—胶木公之于世。胶木最先用于电插头，不久又扩展到，收音机外壳以及烟灰缸等。当时，塑料进入制造业的原因虽然道德是一次世界大战期间自然资源短缺，但更主要的是塑料有助于通过机器切割代替手刻模子，在制造过程中降低造价。此外，塑料还有绝缘作用，可塑性很强又便于清洁，成为最适宜于生产群众化商品的材料。新材料的开展总是两路并行的，一方面制造商致力于如何使新材料降低造价，一方面设计师那么思索怎样用这种新材料重新赋予产品新的式样。1929年，美国著名工业设计师雷蒙德·洛威为美国吉斯特纳的速印机重新设计了雅致的胶木外壳，使原来那架原始裸露的维多利亚机器大大改观。塑料的可塑性及模压技术的不断进步，导致了千姿百态的塑料产品的出现。新材料的出现必然影响设计师的设计思维方式，从而导致产品形态的革命，将传统的产品，转化为现代摩登设计的形式。著名鬼才设计师法国人菲利普·斯塔克设计的轻型家具，如图15所示，运用聚酯碳织纤维材质，完全一体成型，外表极澄澈纯洁，看似轻盈却非常巩固强韧，是21世纪材质科技与新设计概念完美结合的范例。图16所示的是以复合材料设计