产品造型材料与工艺——第一讲

产品造型设计材料与工艺北京邮电大学工业设计教研中心联系方式：87083598(小灵通)[e-mail]宋荆洲2007.9上帝造人,设计造物——摘自“美的工业设计公司”一个有吸引力的工业设计能使其在众多产品中显露出来，它具有与众不同的符号体系，使消费者在购买时很容易辨认出自己所钟意的产品。——美的工业设计公司董事长兼总经理/李锦魁产品设计主要项目工程设计工业造型设计功能设计制定技术指标和功能原理方案实现功能原理，进行总体布局与构思造型方案结构设计结构方案配合结构方案进行形态设计；与造型有关的结构设计工艺设计编制工艺及工装设计面饰工艺，监督实施造型设计方案操作使用设计操作与显示的原理、结构设计操作、维修等空间设计、形态设计、人机因素设计及包装设计维修设计装配维护保养技术设计装运安装装运及安装方式结构设计安全设计安全防护技术设计安全防护造型、装饰设计色彩与涂装外观保护技术方案色彩涂装方案设计工业造型设计与工程设计的区别本门课程的重要性材料和工艺是产品造型设计的物质技术条件，是产品设计得以实现的桥梁如何选用材料及其造型工艺，使其性能特点与加工特点相一致，最终实现设计的目标和要求？学习这门课程的目的？学会根据产品造型设计的目的和要求，灵活地利用各种材料的内在功能和表面特征，合理地选择材料的加工工艺，设计出功能好、性能高、款式新颖的产品！重点、难点重点金属和非金属常用造型材料的特点和工艺难点如何充分利用造型材料及其成型工艺，实现完美的造型设计•特别是造型结构的合理性、可加性、材料的合理性课程的体系结构第一章概论第二章金属材料及其加工技术第三章工程塑料及其加工技术第四章工业陶瓷及其加工技术第五章玻璃及其加工技术第六章木材及其加工技术第七章涂料及其涂装工艺*新材料与新工艺*第一章概论第一节材料、设计与工艺第二节材料的分类第三节材料的基本性质第四节造型材料应具有的特性第五节产品造型材料的美学基础第六节产品造型设计与工艺性人类的生存离不开材料一种崭新技术的实现，往往需要崭新材料的支持例如：实现光通讯技术，离不开1970年制成的光导纤维材料的支持先进的技术反过来促进新材料的诞生第一节材料、设计与工艺材料在设计中的作用材料科技与制造技术的发展，使产品设计的内涵不断外延。过去工业设计师更多被束缚于产品的功能和内在因素，很多创意变为空想无法实现。如今这种状况被彻底改变，材料激发了设计师的无限创意。例如，塑料材料的诞生产品设计的进步史，也是材料的发展史从木材、陶瓷到金属、玻璃和塑料，材料的不断创新实现着人们对于产品的种种梦想，材料的魅力是无穷的材料是设计的载体，设计是材料的体现“巧妇难为无米之炊”；如厨师要了解食材及其加工方法产品的功能、形体和外观与材料的质地、感官、性能及成型工艺关系密切材料的感官效果；材料的力学、物理、化学性能；材料的加工工艺与性能；材料的改性和表面处理；造型设计要与材料的性能特点及其加工工艺相一致，才能实现设计的目的和要求。材料、工艺、设计三者间的关系材料、设计和工艺——密不可分•创新是工业设计的灵魂，新材料、新工艺和新技术正是为产品的创新设计开辟新天地！设计离不开对材料的认识和制造成型过程的了解•设计如何兼顾：实用性、科学性、艺术性、经济性？如明式家具与现代板式家具•设计师必须注重材料的性能特点、实用价值与审美价值，达到功能和形式的统一如塑料儿童餐具•要设计出好的产品，必须使材料在制成物和作用于人的过程中，真正做到“料尽其材，物尽其用”材料的定义材料(广义)：指人的思想意识之外的所有物质材料(狭义)：指工业生产加工所使用的物质材料的基本属性：必须有恰当的性能可用于满足人类生产和生活的某一特定需要须有加工和利用的可能性必须有某种经济性材料的五个发展阶段一、使用纯天然材料的初级阶段(旧石器时代)使用天然材料，如：兽皮、甲骨、羽毛、树木、草叶、石块、泥土等。二、人类单纯利用火制造材料的阶段距今约1万年前—20世纪初至今（横跨新石器时代、铜器时代和铁器时代）代表性的三大人造材料:陶、铜、铁材料的五个发展阶段三、利用物理和化学原理合成材料的阶段（20世纪初，以合成高分子材料的出现标志）合成高分子材料（合成塑料、合成纤维及合成橡胶等）功能高分子材料（经辐射的高分子聚合物）合金材料（铁碳合金、铝合金、铜合金等）无机非金属材料（陶瓷材料）超导材料、半导体材料、光纤材料、人造金刚石、立方氮化棚、金属氢等高性能结构材料和功能材料（不锈钢、铁合金、超耐热钢、超硬合金、压电材料、铁电材料、热电材料、光电材料、激光材料、磁光材料、声光材料等）材料的五个发展阶段四、材料的复合化阶段（20世纪50年代，以金属陶瓷材料的出现为标志）金属陶瓷（金属与陶瓷的复合材料）玻璃钢（玻璃纤维与高分子材料的复合材料）铝塑薄膜在高真空状态下将铝蒸发到各种基膜上的一种薄膜产品梯度功能材料（组成、结构、性能随材料的空间位置而连续变化的材料）抗菌材料如：塑料玩具用抗菌材料、纺织品等梯度功能材料一般复合材料的整体材料性能是同一的，但有时希望同一件材料两侧具有不同的性质或功能，且两侧结合完美，不至于在苛刻的条件下因性能不匹配发生破坏例如超音速燃烧冲压式发动机，燃烧气体的温度超过2000℃；燃烧室壁另一侧要经受燃料液氢的冷却，温度－200℃左右。将金属和陶瓷联合使用，陶瓷对付高温，金属对付低温。但将金属和陶瓷结合时，由于二者的界面热力学特性匹配不好，在极大的热应力下还会被破坏。1984年平井敏雄提出梯度功能材料：通过连续地改变两种材料的组成和结构，使其内部界面消失，得到功能相应于组成和结构的变化而渐变的非均质材料。对上述的燃烧室壁，在陶瓷和金属之间通过连续地控制内部组成和微细结构的变化，使两种材料之间不出现界面，从而使整体材料耐热应力强、机械强度好。材料的五个发展阶段五、材料的智能化阶段形状记忆合金感温磁钢光致变色玻璃热致变色玻璃智能混凝土等形状记忆合金1963年，美国海军军械研究室试验中需要镍钛合金丝，领回来的是弯曲的，为使用方便进行拉直后续试验中：当温度升到一定值的时候，拉得笔直的合金丝，魔术般地迅速恢复到原状，且丝毫不差。只要达到一定温度，便立即恢复到原样。好像在从前被“冻”得失去知觉时被人们改变了形状，当温度升高到一定值，“苏醒”，又“记忆”起原样，便恢复面目。形状记忆合金•不仅单次“记忆”能力几乎可达百分之百，即使重复500万次以上也不会产生丝毫疲劳断裂•享有“永不忘本”、“百折不挠”等美誉，被比作一个人永不变节、坚贞不屈的精神和气节1969年7月20日，乘坐“阿波罗-11号”登月舱的美国宇航员阿姆斯特朗在月球上踏下第一个人类脚印，这位勇士从月宫里传回富于哲理的声音：“对我个人来说，这只是迈出的一小步；但对全人类来说，这是跨了一大步”阿姆斯特朗当时的图像和声音通过形状记忆合金制成的天线从月球传输回地面形状记忆合金形状记忆合金眼睛架如何在设计运用形状记忆合金？形状记忆合金还可以用作消防报警装置及电器设备的保险开关装置感温磁钢温度特性：在常温状态下，为铁磁物质，能够吸引硬磁，当温度升高到某一限界时，其磁性消失。此转变温度称为居里点。居里点随着软磁材料的成分而变化应用：电饭煲的控制温度103℃，在饭熟后断电，断电后不能自动复位材料的未来发展趋势21世纪新材料产品向着实现智能化、多功能化、环保、复合化、低成本化、长寿命及按用户进行订制的方向发展目前新材料的发展热点:信息材料：激光材料、高亮度发光二极管材料、红外探测器材料、液晶显示材料、光纤材料等（只有先知道，才有可能在设计中想到、用到！）新能源材料绿色二次电池、氢能、燃料电池、太阳能电池和核能。如：高能储氢材料、聚合物锂离子电池材料、质子交换膜燃料电池材料、多晶薄膜太阳能电池材料等纳米材料比如纺织行业：纳米材料改性的功能纤维产品相继问世；抗菌抑菌、红外保温、负离子释放、自清洁、阻燃和防水防静电产品已进入市场；纳米涂料材料的未来发展趋势超导材料不断探求更高温度超导体材料在能源、电力、移动通讯等域的应用，如超导电缆化工新材料向高性能化、多功能化、精细化、低成本化、工艺无害化等方向发展材料的未来发展趋势高性能结构材料钢铁和有色金属材料向高性能、多功能化方向发展高性能结构陶瓷向强韧化、易成形加工方向发展高分子材料向集成化、智能化、多功能化方向发展复合材料向高性能、低成本方向发展材料的未来发展趋势第二节材料的分类按材料的发展历史分天然材料加工材料合成材料复合材料智能材料或应变材料按材料的物理状态分类气体、液体、固体（物质在常温下存在的三大类状态）材料的分类按材料用途分类机械加工材料；建筑材料；电工材料；结构材料；电子材料；研磨材料；光学材料；耐火材料；感光材料；耐腐蚀材料；包装材料等等按材料的化学组成分类金属材料无机非金属材料：陶瓷、玻璃等有机高分子材料：塑料、橡胶等复合材料：以前三种材料为组分经人工复合而成。如玻璃钢、树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、功能复合材料等。—物理化学性能1.密度：材料在绝对密实的状态下单位体积的质量式中：m—干燥材料的质量（kg）；V—材料在绝对密实状态下的体积（m3）2.熔点(单位：℃)纯金属由固态转变为液态时的温度有些非金属材料没有明显的熔点（如：高分子材料、热固性树脂、陶瓷材料等）)(3mkgVm第三节材料的基本性质3.比热容（单位：J/(kg-K)）将1kg重的材料温度升高1℃所需要的热量。4．热导率(导热系数)（单位；W/(m·K)）材料将热量从一侧表面传递到另一侧表面的性质称为导热性。由热导率或导热系数表示。—物理化学性能第三节材料的基本性质5.热膨胀系数材料由于温度上升或下降会出现膨胀或收缩。线膨胀系数——材料上两点之间的单位距离在温度升高1℃时的变化称为线膨胀系数（单位：1∕℃）线膨胀系数的比较：高分子材料﹥金属材料﹥陶瓷材料体膨胀系数——材料由于温度变化出现膨胀或收缩按体积计算时，称体膨胀系数。一般可概略看作线膨胀系数的3倍。—物理化学性能第三节材料的基本性质—物理化学性能第三节材料的基本性质6.其他需要考虑的性能：包括导电性、磁性、耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化性、亲水性、吸水性、耐水性、抗渗性、耐热性、耐燃性、耐火性、耐久性等等。强度材料在静载荷(外力)作用下抵抗塑性变形和破坏作用的能力，包括抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。屈服强度：抗拉强度：a0(MP)ssPF材料开始发生明显塑性变形时的拉力试样原始横截面积—力学性能第三节材料的基本性质ba0(MP)bPF试样拉断前的最大拉力试样原始横截面积弹性材料在外力作用下产生变形，当外力去除后仍能完全恢复其原来形状的性能弹性极限材料在弹性变形范围内所能承受的最大应力弹性模量材料承受外力时抵抗弹性变形的能力，衡量材料的刚度eea0(MP)PF弹性范围内的最大拉力试样原始横截面积—力学性能第三节材料的基本性质eaE(MP)弹性极限相对变形量塑性材料在外力作用下产生变形，当外力去除后仍保持外力作用时的形状而不破裂的性能。材料的塑性指标：断面收缩率:伸长率：%100原断面积拉断后断面积原断面积%100拉伸前的长度拉伸前的长度拉断后的长度—力学性能第三节材料的基本性质脆性材料在受外力作用达到一定限度时，无明显变形而突然破坏的性质韧性材料在冲击载荷或震动载荷作用下，能承受很大变形而不破坏的能力，也称冲击韧性疲劳强度指金属材料承受无限次交变载荷而不发生断裂破坏的最大应力—力学性能第三节材料的基本性质硬度——材料抵抗其他物体压入自身表面的能力，反映材料局部塑性变形的能力金属材料的硬度：布氏硬度（HB）洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)维氏硬度(HV)—力学性能第三节材料的基本性质布氏硬度试验原理：用载荷为P的力，把直径为d的钢球压入