1、第五章产品设计中材料的选择与开发第1页，共28页。5.1 设计材料的选用5.1.1 选择原则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、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。第2页，共28页。5.1 设计材料的选用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，选用资源丰富、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
2、广阔的前提，满足产品设计的要求 第3页，共28页。5.1.2 影响材料选择的基本因素(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主要问题。第4页，共28页。5.1.2 影响材料选择的基本因素(3)外观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
3、化程度与速度。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。第5页，共28页。5.1.2 影响材料选择的基本因素(5)控制件控制件对材料的选择也有其特殊的需求。(6)抗腐蚀性抗腐蚀性影响着产品的操作、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6页，共28页。5.2 材料工程的发展第7页，共28页。“应用需求
4、”提供了本学科与社会交互作用的通道，经由这一通道，社会向材料工作者提供需求信息，材料工作者向社会提供能满足需求的材料或材料产品；“合成与加工”与社会存在着一定的相互作用，这主要体现在对环境的影响方面,例如，加工过程中污染物的排放、能耗大小等；“材料结构成分”主要研究材料内部的化学成分、晶体结构、显微结构、复合结构的成因，以及这些结构对性能的影响；“材料性能”主要研究性能的评价方法、测试方法及影响因素 第8页，共28页。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。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
5、实验地。4、经济实力成为制约材料领域发展速度、深度和广度的关键因素。第9页，共28页。5.3 设计材料的开发材料的开发经历从基础研究到应用再到实用的过程。对于新材料的发现和研制，材料开发循环过程为：功能需求分析-确定性能指标-确定材料体系和加工方法-材料成分设计和工艺参数优化-性能评价-应用-产品失效分析，然后进入下一轮循环，直至达到预定要求。第10页，共28页。第11页，共28页。531 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。第12页，共28页。531 新材料 新材料
6、发展的标志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。第13页，共28页。531 新材料 新材料发展的标志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14页，共28页。5
7、32 新材料对产品造型设计的影响和作用 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。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。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。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15页，共28页。533 新材料 的开发方向过去，由于材料种类的稀少，材料
8、与制品的对应关系都是相对固定的，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。因此材料的开发成为现今材料科学的主要任务。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16页，共28页。第17页，共28页。一般认为，新材料的研究与开发主要包括四方面的内容新材料的发现或研制。已知材料新功能、新性质的发现和应用。已知材料功能、性质的改善。新材料评价技术的开发。第18页，共28页。材料产业必须重视如下问题：原材料的自然分布，材料的成型和加工性能，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
9、方面因素的效应。1.基础材科的开发 基础材料是指金属、木材、玻璃、陶瓷、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，进一步探索材料的组成、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。第19页，共28页。第20页，共28页。第21页，共28页。2.复合材科的开发 复合材料是指两种或两种以上不同化学性质或不同组织结构的材料，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
10、构特征产生的机能。复合效应所致的机能。第22页，共28页。第23页，共28页。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24页，共28页。第25页，共28页。复合材料涵盖面很宽，目前常采用如下方法分类。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，有颗粒增强复合材粒、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。第26页，共28页。3纳米材料与纳米技术(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
11、示出许多奇妙的特征。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。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。第27页，共28页。3纳米材料与纳米技术(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。第28页，共28页。
