1、1第四讲 产品设计中材料的选择与开发本讲的主要内容是：材料选择原则、影响材料选择的因素、新材料与新材料开发要求学生掌握常用材料的选择与选用，了解材料工程的发展以及开发重点掌握：选用原则。难点是会根据材料特性选用造型材料1 设计材料的选用11 设计材料的选择原则（要求学生应该掌握和引起高度重视）1) 材料的外观：考虑材料的感觉特性。根据产品的造型特点、民族风格、时代特征及区域恃征，选择不同质感、不同风格的材料。2) 材料的固有特往：材料的固有特性应满足产品功能、使用环境、作业条件和环境保护的需要3) 材料的工艺性，材料应具有良好的工艺性能，符合造型设计中成型工艺、加工工艺和表面处理的要求，应与加
2、工设备及生产技术相适应。4) 材料的生产成本及环境因素：在满足设计要求的基础上，尽量降低成本，优先选用资源丰富、价格低廉、有利于生态环境的材料。5) 材料的创新：性材料的出现为产品设计提供更广阔的前提，满足产品设计的要求1.2 影响材料选择的基本因素除材料本身的固有特性外。影响材料选择的基本因素主要有以下几个方面。1) 功能无论怎样的广品，都必须首先考虑产品直具有怎样的功能和所期望的使用寿命。这样的考虑必定会在选用何种材料更合适方面做出总的指导。2) 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
3、决，已成为材料选择中的主要问题。其中材料的耐久性应是材料近择中必须最先考虑的。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。3) 外观产品的外观在一定程度上受萁可见表面的影响，并受材料所能允许的制造结构形式的影响因此，外观也是材料选择应考虑的一个重要因素。就产品的表面效果来看，材料还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装饰材料和方式，影响着装饰的外观效果和在使用期限内的恶七程度与速度。至于造型所采取的制造工艺与手段，如浇铸模铸、冲压、弯折或切削等也在很大程度上依赖于所采用的材料。4) 安全性安全是最基
4、本的因素。材料的选择应按照有关的标准选用，并充分考虑各种可能预见的危险。例如医院的某些电疗设备中与病人接触的部位，其表面应选择绝缘且抗静电的材料在设备较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伤亡；在设备内部若选用易于泛潮的塑料轴承，就会因隐匿着腐蚀的危险性造成质量恶化而导致至关重要的控制件失灵。5) 控制件2控制件对材料的近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圈样符号的材料制作。以减少眩光和便于指示控制动作。6) 抗腐蚀性抗腐蚀性是材料选择的
5、另一个重要准则，因为它影响着产品的操作、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。设计者必须列未来可能使用自己所设计产品的消费者进行调研。如果可能，应尽量使自己的产品选到或超出消费者所期望的程度。对于材料，要考虑到消费考的态度往往受他所接触的各类产品的影响。有时消费者所期望的材料也许恰恰是设计者并不准备采用的在有情况下消费者对某些产品所选用的材料还受到传统习惯的束缚，在一定时间内未必会被消费者接受。当然，这并不等于说产品选用的
6、材料就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新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随着人类文明的进步，面对人类需求在质和量方面的不断增长列材料品种和性能的要求越来越高，材料科学与工程领域发生着日新月异的变化，主要特征体现在以下几方面。1) 新构思新观意不断涌现，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) 经济实刀成为制判材料领域发展速度、深度和厂度的关键因素。31
7、3 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)或者比传统材粒在性能上有重大突破(如超强、超硬耐高温等)的一类材料。新材料发展的标志1) 引起生产力的太发展，推动社会进步。从石器、陶瓷器青铜、铸铁、钢、塑料到各种新材料的出现，均标志着个相应经济发展的历史时期。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具有新特性，这些特性通常都是作为优点被轴用的，但任何事物都有两面性，往往使用时的优点就会成为废弃时的缺点，如有良好的耐天候性是产品所希望的，但废弃物的处理就很困难。所以在产品设计中就应考虑到
8、废弃物的再利用或最终处理，使之成为设计的一环。14 新材料对产品造型设计的影响和作用材料是人类赖以生存和发展的物质基础，新材料是营造未来世界的基石。如果没有 20 世纪 70 年代制成的光导纤维，就不会有现代的光纤通讯；如果没有制成高纯度大直径的硅单晶，就不会有高度发展的集成电路，也不会有今天如此先进的计算机和电子设备。展望新材料对产品造型设计的影响和作用，可归纳如下几方面。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，产生新的产品设计风格。因此，设计工作应与新材料开发建立种互相融兮的关系。2) 产品外观形象要具有未来性。
9、新材料的便崩，不仪对产品外观可以起到新颖美观独踌的装饰作用，使设计本身变得更简洁、合理，更具日寸代感。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) 设计应进步开发传统材料，使之在现代生活中具有新的意义15 新材料的开发方向在工业化高度发展的今天，设计制造任何一件产品郁离不开材料，由于现代器具的复杂性远远大于以往用树枝石块制作的器具，所便用的材料也日趋复4杂。由使用树枝、石块及简单的合金材料时代向新材料层出不穷的时代过渡的过程，实质上就是人类对材料的认知的增长和扩大过程。过去，由于材料种类的稀少，材料与制品的列应关
10、系都是相对固定的，在设计中改变性质、重新组合使用材料、改变材料用途的可能性极小。当今在新技术地驱动下，运用具有新地组合方式、新地形态和新地性质地各种材料进行制品地开发会产生令人振奋地效果。一般认为，新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。可以看出新材料的研究与开发主要围绕着材料本身的功能和性质这一主题。但是，一种新材料的出现是否对人类文明产生深刻影响，是否能满足人类生活的需求，仅仅考虑上述问题则不够，还必须考虑新材料的产业化、商品化，这样才能使人们享受到实惠，对人类文明
11、产生促进作用。材料产业化必须重视如下问题：原料的自然分布，材料的成型与加工性能，材料的可回收率和环境保护。从可持续发展的角度看，最大效益应该是综合考虑上述几方面因素的效益。1 .基础材料的开发基础材料是指金属、木材、玻璃、隋瓷、塑料等常见材料。这些材料由于其特性的限制，不能在更多的领域中应用。因此新材料的开发往往是对基础材料的性能进行改良开发，进步探索材料的组成、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。在日常生活与设计实践中几乎离不开塑料，但由于塑料特性的限制使它不能在更多的领域应用，因此就对高分子材料的性能提出了新的要求，
12、如表 51和表 52 所示。5图 54 所示为 Ribbon 自行车手把包带，以聚亚胺酯塑料为基料，添加天然的软木成分而制成，木质成分的加入，给自巧车手把包带添加了在此之前所没有的些优异特性。当把它缠绕在车手把上时，它可以吸收手上的汗液以确保能安全，舒适地握住车把。包带的颜色是将材料讲行染色，从而有效的阻止颜色的退色。62. 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小同组织结构的材料，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取得的机能。这些机能包括有，各素材所保持的机能。在复合与成型过程中形成的机能。由复合结构特征产生的技能。复合效应所致的机能。开发复合材料的目的为：弥
13、朴某些有用材料的缺点，以更好地发挥有用的机能。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。产生从未有的新机能。图 5 6 所示为“绳结”躺椅，由荷兰设计师 Marcel wanders 设计。躺椅采用特制粗绳依据传统编结工艺编织打结并经特殊处理而成。这种粗绳由碳化纤维和。“aramid”编织套组成，粗绳在经特殊处理前与普通粗绳一样，但经环氧处理后，粗绳在高温下晾干后变得又坚固又结实。利用粗绳这特性，在经特殊处理前将粗绳按设计构思编织打结，编结后的形态柔软松沓，不具有实用功能。经环氧处理后按设计的形式将它悬挂在框架上，使之具有椅子的形状。温下晾干后就具有椅子的实用功能。7复合材料涵盖面很
14、宽目前常采用如下方法分娄。按基体分类。有金属基复合材料和高分子(树脂)基复合材料。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、叠层增强复合材料、弥散增强复合材料等。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。(1) 纳米材料纳米材料是由纳米级原子团组成的，由于其独特的体积和表面效应，它从宏观上显示出许多奇妙的特征。(2) 纳米 (加工) 技术在人们为纳米材料的神奇而惊叹的时候，纳米(加工)技术也健步向我们走来。纳米加工技术的核心是原子或分子位置的控制、具有特殊功能的原子或分子集团的自复制和自组装。小结：本章讲解了材料的外观选择原则要考虑材料的感觉特性。根据产品的造型特点、民族风格、时代特征及区域恃征，选择不同质感、不同风格的材料，对材料的固有特性应满足产品功能、使用环境、作业条件和环境保护的需要，对材料的工艺性，应具有良好的工艺性能，符合造型设计中成型工艺、加工工艺和表面处理的要求，应与加工设备及生产技术相适应。还要考虑材料的生产成本及环境因素：在满足设计要求的基础上，尽量降低成本，优先选用资源丰富、价格低廉、有利于生态环境的材料。尽量考虑新兴材料使用在产品设计中。
