产品设计中材料的选择与开发环境

第五章产品设计中材料的选择与开发环境5.1设计材料的选用选择原则设计是一种复杂的行为，它涉及设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。(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特征，选择不同质感、不同风格的材料。(2)材料的固有特性：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和表面处理的要求，应与加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，优先选择资源丰富、价格低廉、有利于生态环境保护的材料。(5)材料的创新：新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。第五章产品设计中材料的选择与开发环境5.1设计材料的选用影响因素(1)功能：无论怎样的产品，都必须首先考虑产品应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决，已成为材料选择中的王要问题。(3)外观：产品的外观在一定程度上受其可见表面的影响，并受材料所能允许的制造结形式的影响，因此，外观也是材料选择应考虑的一个重要因素。(4)安全性：安全是最基本的因素。材料的选择应按照有关的标准选用，并充分考虑各种可预见的危险。第五章产品设计中材料的选择与开发环境5.1设计材料的选用影响因素(5)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。(6)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。(7)市场：设计者必须对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达到或超出消费者所期望的程度。第五章产品设计中材料的选择与开发环境5.2材料工程的发展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，对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、新观念不断涌现，成为此领域迅速发展的强大推力。例如，材料低维化；材料梯度化；材料复合化；材料仿生化；材料智能化。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。例如，在微重力条件下制备超纯晶体材料、特殊自润滑材料、优良磁性材料和超导材料等；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、深度和广的关键因素。第五章产品设计中材料的选择与开发环境5.2材料工程的发展第五章产品设计中材料的选择与开发环境5.3设计材料的开发满足人类文明的需求是材料研制和开发的出发点和回归点，出发点和回归点的重合是通过若干个中间环节而实现的。材料的开发经历从基础研究到应用再到实用的过程。第五章产品设计中材料的选择与开发环境5.3设计材料的开发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。新材料发展的标志为：①引起生产力的大发展，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，均标志着一个相应经济发展的历史时期。例如，单晶硅的问世，导致以计算机为主体的微电子工业的迅猛发展；光导纤维的出现，使整个通讯业起了质的变化。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。这种材料设计可以从组成、结构和工艺来实现设计产品的观念。更重要的一点是：一种新材料已经不是只具有某一单一功能，在一定条件下可能具有多种功能，从而使材料为高新技术产品的智能化、微型化提供基础。第五章产品设计中材料的选择与开发环境5.3设计材料的开发新材料对产品造型设计的影响和作用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。第五章产品设计中材料的选择与开发环境5.3设计材料的开发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。第五章产品设计中材料的选择与开发环境5.3设计材料的开发新材料的开发方向一般认为，新材料的研究与开发王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、新性质的发现不口应用。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王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，对人类文明产生促进作用。第五章产品设计中材料的选择与开发环境5.3设计材料的开发新材料的开发方向1．基础材料的开发第五章产品设计中材料的选择与开发环境5.3设计材料的开发新材料的开发方向2、复合材料的开发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的技能。④复合效应所致的机能。第五章产品设计中材料的选择与开发环境5.3设计材料的开发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。第五章产品设计中材料的选择与开发环境5.3设计材料的开发新材料的开发方向3、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。(1)纳米材料①体积效应：当粒径减小到一定值时，材料的许多物性都与晶粒尺寸有敏感的依赖关系，表现出奇异的小尺寸效应或量子尺寸效应。例如，当金属颗粒减小到纳米量级时，电导率已降得非常低，原来的良导体实际上已完全转变为绝缘体。②表面效应：纳米材料的许多物性主要是由表面决定的，大量的界面为原子扩散提供了高密度的短程快扩散路径。例如，普通陶瓷在室温下不具有可塑性，而许多纳米陶瓷在室温下就可以发生塑性变形。纳米材料的塑性变形主要是通过晶粒之间的相对滑移实现的。正是由于这些快扩散过程，纳米材料形变过程中一些初发微裂纹得以迅速弥合，从而在一定程度上避免了脆性断裂。第五章产品设计中材料的选择与开发环境5.3设计材料的开发新材料的开发方向(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。科技界认为，纳米材料与纳米技术可能引发下一场新的技术革命和产业革命，成为21世纪科学技术发展的前沿。它们不仅是信息产业的关键之一，也是先进制造业最主要的发展方向之一。正如美国旧M公司首席科学家阿莫斯特朗在上世纪末所说：“正像20世纪70年代微电子技术引发了信息革命一样，纳米科学技术将成为下世纪信息时代的核心”。纳米材料和纳米技术在21世纪的发展前景和影响是不言而喻的。