公共设施设计中的常用材料及应用

公共设施设计中的常用材料及应用材料在过往的产品中所扮演的角色主要是提供力学的支持，它是用来组成产品结构的成分，以使得这个结构产生人们所预设的功能。然而在近十年来，技术发展与设计探索使材料不再只是力量的提供者，而能够扮演更多不同的角色。数十年前的公共设施，材料主要以木材和石材为主，后来逐渐开始使用塑料。然而如今，公共设施在材料应用上有了很大的转变，对于金属、玻璃、人造石材、混合材料等材料的使用越来越广泛，这使得我们只有不断的学习与研究材料及其加工工艺才能做好公共设施的设计工作。在现今公共设施设计中，较常用的材料和其加工工艺如下：一、木材木材作为一种天然材料，分布极其广泛，使用最为普遍。木材给人以亲切感，被认为最有人性特征的材料。1.木材的性能（1）木材质轻坚韧而富有弹性，具有天然的纹理和色泽。（2）在一定环境下，木材能够吸收或放出湿气，因此对环境的湿度有调节作用。（3）木材的结构疏松多孔，能够很好的吸音隔声。（4）可塑性很强，易于加工成型。（5）导热、导电性差，是良好的绝缘体，但是容易燃烧。（6）由于木材的干湿变化，容易造成扭曲、开裂等变形。2.木材的成型加工木材基本的加工方法有：锯割、刨削、凿削、铣削等；木材常用的结合方式有：榫结合、胶结合、螺钉与圆钉结合、板材拼接、连接件结合及混合结合等。（1）榫结合榫结合是应用最广泛的结合方式；优点是：结构简单外露，便于检查。（2）胶结合胶结合也是一种常用的结合方式，主要用于实木板的拼接及榫头和榫孔的接合；优点是不影响产品的外观、制作简便、结构牢固。（3）螺钉与圆钉结合螺钉与圆钉的结合强度取决于木材的硬度和钉的长度，与木材的纹理也有关。木材越硬，钉直径越大，长度越长，沿横纹结合，强度越大，反之强度越小。3.木材的分类（1）原木原木是指树干经过去枝去皮锯断处理后行车的一定长度规格的木材。其经常用作电柱、桩木、建筑所用的木材等。（2）人造板材人造板材是利用原木、刨花、木屑、废材及其他植物纤维为原料制作而成。它们质地均匀、平整光滑、易于加工、不易变形。常见的人造板材有胶合板、刨花板、纤维板、细木工板及各种轻质板等，广泛应用于家具、建筑等方面。二、人造石材人造石材是以天然石材为基本原料，经一定的加工程序制成的，是天然石材的再利用。人造石材兼备大理石的天然质感、坚固质地，木材的易加工性，是新一代的高科技产品，现今在公共设施设计中被广泛使用。1.人造石材的性能（1）无放射性、阻燃性，使用安全；（2）极具可塑性，可以做出任何造型；（3）抗污力强，易清洁，不易被染色；（4）抗菌防霉、耐磨、耐冲击，可重复翻新；（5）制造简便、生产周期短、成本低此外，又避免了天然石运输不便的缺陷；大面积铺贴无需对色，可根据需求，调制出丰富的色彩和花纹。2.人造石材的分类及加工工艺按照人造石材生产所用原料，可分为以下四类：（1）树脂型人造石材树脂型人造石材是以不饱和聚脂树脂为胶结剂，与天然大理碎石、英砂、方解石、石粉等按一定的比例配合，再加入催剂、固化剂、颜料等外加剂，经混合搅拌、固化成型、脱模烘干、表面抛光等工序加工而成。成型方法有振动成型、压缩成型和挤压成型。不饱和聚脂类的石材光泽好、易于成型、颜色浅，容易配制成各种明亮的色彩与花纹；固化快，常温下可进行操作，是目前使用最广泛的石材。室内装饰工程中采用的人造石材主要就是该类。（2）复合型人造石材复合型人造石材制作工艺是:先用水泥、石粉等制成水泥砂浆的坯体，再将坯体浸于有机单体中，使其在一定条件下聚合而成。复合型人造石材制品的造价较低，但它受温差影响后聚脂面易产生剥落或开裂。（3）水泥型人造石材常用种类有水磨石和各类花阶砖。水泥型人造石材是以各种水为胶结材料，砂、天然碎石粒为细骨料，经配制、搅拌、加压蒸养、磨光和抛光后制成的人造石材。配制过程中，混人色料，可制成彩色水泥石。水泥型石材的生产取材方便，价格低廉，但其装饰性较差。（4）烧结型人造石材烧结型人造石材的生产方法与陶瓷工艺相似，是将长石、石英、辉绿石、方解石等粉料和赤铁矿粉，以及一定量的高龄土共同混合，一般配比为石粉60%，粘土40%，采用混浆法制备坯料，用半干压法成型，再在窑炉中以1000℃左右的高温焙烧而成。烧结型人造石材的装饰性好，性能稳定，但需经高温焙烧，因而能耗大，造价高。三、金属材料金属材料是现代工业的支柱，是工业化社会最重要的特征之一。金属材料能够依照设计者的构思实现多种造型，它是现代设计中的一大主流材质。1.金属材料的性能金属材料是金属及其合金的总称，其性能主要变现在以下几个方面：（1）是电与热的良导体。（2）具有良好的延展性。（3）金属可以制成金属化合物、合金，以此来改变金属的性能。（4）表面具有金属特有的色彩和光泽。（5）除贵金属外，几乎所有金属都易于氧化而生锈，产生腐蚀。2.金属材料的成型加工在公共设施中，金属材料基本的加工方法主要分为：铸造、塑性加工、切削加工、焊接和粉末冶金五大类，不同的制造方法与加工处理对金属材特性的影响都很大。（1）铸造铸造是将熔融状态的金属浇入铸型后，冷却凝固成为具有一定形状铸件的工艺方法。铸造成型生产成本低，工艺灵活性大，适应性强，适合生产不同材料、形状和重量的铸件，并适合于批量生产。缺点是公差较大，容易产生内部缺陷。铸造又分为砂型铸造、熔模铸造、金属型铸造、压力铸造和离心铸造等。常用的铸造材料有铸铁、铸钢、铸铝、铸铜等。（2）塑性加工又称金属压力加工。指在外力作用下，金属坯料发生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和机械性能的毛坯或零件的加工方法。特点是：产品可通过此直接制取、无切削，金属损耗小。适合专业化大规模生产，不宜于加工脆性材料或形状复杂的制品。金属塑性加工分为锻造、轧制、挤压、拔制和冲压加工。（3）切削加工又称为冷加工。利用切削刀具在切削机床上或手工将金属工件的多余加工量切去，以达成规定的形状、尺寸或表面质量的工艺过程。按加工方式分为车削、铣削、刨削、磨削、钻削、镗削及钳工等，是最常见的金属加工方法。（4）焊接加工焊接加工是充分利用金属材料在高温作用下易熔化的特性，使金属与金属发生相互连接的一种工艺，是金属加工的一种辅助手段。常见的焊接方法有熔焊、压焊和钎焊。（5）粉末冶金粉末冶金是以金属粉末或金属化合物粉末为原料，经混合、成型和烧结，获得所需形状和性能的材料或制品的工艺方法。粉末冶金法能生产用传统加工方法不能或难以制得的制品，特别适合生产特殊性能和高性能的特殊材料，如高熔点金属、高纯度金属、硬质合金、不互熔金属、多孔性金属等，是一种“节能、省材、高效生产”的新技术，是现代冶金工业的重要生产方法。3.金属材料的分类金属材料种类繁多，按构成元素分为黑色金属和有色金属。（1）黑色金属黑色金属包括铁和以铁为基体的合金，如纯铁、铸铁、合金钢、高碳钢、铁合金等。黑色金属资源丰富、加工方便、生产成本低、硬度高，应用最为广泛。（2）有色金属有色金属包括铁以外的金属及其合金。常用的有金、银、铝、铜及铜合金、钛及钛合金等。有色金属硬度低弹性大，在设计时常需加入特殊的形式以增强其结构能力，如多重褶皱的处理手法。四、塑料塑料是具有多种特性的使用材料，其品种繁多、性能优良、加工成型方便、成本低廉，当今已广泛应用于工业、轻工业的各个部门，它与金属、木材具有同等重要的地位。1.塑料的性能塑料能够满足产品自由成型、加工方便的要求，并具有良好的综合性能。（1）质轻，强度高。（2）多数塑料制品有透明性，便于着色，且不易变色。（3）具有优异的电绝缘性，可被用作产品或建筑物的绝热保温材料。（4）优良的耐磨、自润滑性。（5）良好的耐腐蚀性。（6）成型加工方便，便于大批量生产。（7）与其他工业材料相比也有缺点：不耐高温、低温容易发脆；容易变形；易老化。2.塑料的成型加工塑料的成型加工方法很多，每种方法的选择取决于塑料的类型、特性、起始状态及制成品的结构、尺寸和形状等。根据加工时塑料所处状态的不同，塑料成型加工的方法大致可分为以下三种：（1）处于玻璃态的塑料，可以采用车、铣、钻、刨等机械加工方法和电镀、喷涂等表面处理方法。（2）当塑料处于高弹态时，可以采用热压、弯曲、真空成型等加工方法。（3）把塑料加热到粘流态，可以进行注射成型、挤出成型、吹塑成型等加工方法。3.塑料的分类塑料种类繁多，按热行为可分为热塑性塑料和热固性塑料。（1）热塑性塑料热塑料塑料加热时材料软化，由固态转化为液态，冷却后不回复固态，目前塑料材料使用最多的一种。其柔软富弹性，可塑性极佳，但强度和硬度较差。如：氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）、尼龙（Nylon）都是常用的热塑性塑料。（2）热固性塑料此类塑料原料一旦加热发生变化后，就具有硬度，冷却后即使再加热也无法软化，因此其无法回收再利用，但优点为耐高温、耐化学药品侵蚀、绝缘性良好、形态固定，具有较高的强度和硬度。因为成型上的限制较多，所以造型发展亦相对减少。电木（Bakelite）、尿素树脂（Urearesins）、环氧树脂（Epoxyresins）等均属热固性塑料。五、玻璃在各种自然材料和人工材料日益丰富的今天，玻璃正前所未有地发挥着它优良的特性，逐渐成为人们现代生活、生产和科学实验中的不可或缺重要材料。1.玻璃的性能（1）硬度较大，比一般金属硬。（2）高度透明，具有吸收和通过光线的性能，有的玻璃还有防辐射的特性。（3）常温下玻璃是电的不良导体，熔融状态时则变为良导体。（4）导热性很差，一般承受不了温度的急剧变化。（5）化学性质较稳定，但是耐碱腐蚀性较差。2.玻璃的成型加工玻璃的成型是将熔融的玻璃液加工成具有一定形状和尺寸的玻璃制品的工艺过程。常见的成型加工方法有：压制成型、吹制成型、拉制成型和压延成型。（1）压制成型压制成型是在模具中加入玻璃熔料加压成形，多用于玻璃盘碟、玻璃砖等的制作。（2）吹制成型吹制成型是先将玻璃粘料压制成雏形型块，再将压缩气体吹入处于热熔态的玻璃型块中，使之吹胀成为中空制品。吹制成型可分为机械吹制成型和人工吹制成型，用来制造器皿、灯泡等。（3）拉制成型拉制成型是利用机械拉引力将玻璃熔体制成制品，分为垂直拉制和水平拉制，主要用来生产平板玻璃、玻璃管、玻璃纤维等。（4）压延成型压延成型是将玻璃熔体压成板状制品，主要用来生产压花玻璃、夹丝玻璃等。3.玻璃的分类金属材料种类繁多，常用的品种有：（1）平板玻璃平板玻璃是板状玻璃的统称。具有透光、透视、隔热、隔声、耐磨等特性，彩色玻璃、镀膜玻璃、钢化玻璃、夹层玻璃等特殊制品就是通过对平板玻璃进行着色、表面处理、强化、复合等方法制成的。（2）器皿玻璃这是一种用于制造日用器皿、艺术品和装饰品的玻璃。这种玻璃具有很好的透明度和白度，表面洁净有光泽，有较好的热抗震性、化学稳定性、机械强度。（3）泡沫玻璃泡沫玻璃又称多孔玻璃，是一种由均匀气孔组成的玻璃。气孔封闭的泡沫玻璃机械强度高、不透气、不燃、导热系数小、不变形，经久耐用，可进行锯、钻、钉等加工，是一种良好的保温绝热材料。气孔相连或部分相连的泡沫玻璃具有较大的吸音系数，多作为吸音材料。泡沫玻璃还可制成各种不同颜色，且永不褪色，是良好的装饰材料。（4）微晶玻璃微晶玻璃又称陶瓷玻璃，其结构、性能及生成方法兼具玻璃和陶瓷两者的性能，具有优良的机械强度、化学稳定性、热稳定性及机械加工性。（5）其他玻璃①玻璃马赛克玻璃马赛克是一种小规格的乳浊状半透明彩色饰面玻璃。表面平整光滑，背面有凹槽纹利于砂浆粘结。玻璃马赛克色彩丰富、色调柔和；质地坚硬，不积尘，化学稳定性和热稳定性好。多被拼合成各图案，用于建筑物的墙面装饰。②玻璃空心砖玻璃空心砖强度高，绝热、隔音、耐火，多用来砌筑透光墙壁。六、混合材料混合材料是运用自然界中原有的材料加以混合所得到的新型材料，如夹板、混凝土及玻璃纤维等。1.混合材料的分类及性能（1）夹板夹板是利用硬木木片与粘胶交互相叠，在施加压力后得到的材料。它通常面积较大且比原木廉价。（2）混凝土混凝土是近代使用最广泛的混合材料之一，主要以水泥、细沙、碎石与水相互拌和而成，是绝佳的结构材料，坚实易固定，强度佳。七、材料的应用木材