人與設(shè)計(jì)及材料的關(guān)系

1、人與材料之間的關(guān)系新興材料與人們的生活材料是設(shè)計(jì)的物質(zhì)基礎(chǔ)，任何產(chǎn)品功能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是通過可感知的材料等體現(xiàn)出來，材料的發(fā)明與應(yīng)用，是一個(gè)時(shí)代的標(biāo)志，它標(biāo)志著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平，而任何設(shè)想與計(jì)劃只有在融合材料自身的材性與生產(chǎn)規(guī)律，才可能使設(shè)想轉(zhuǎn)變?yōu)槔硐氲奈锲?；才能保證物品的品質(zhì)和成功率。在設(shè)計(jì)中，材料及工藝和設(shè)計(jì)的關(guān)系式非常密切的。材料和工藝是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的物質(zhì)技術(shù)條件，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和前提。設(shè)計(jì)通過材料和工藝轉(zhuǎn)化為實(shí)體產(chǎn)品，材料作為一個(gè)包括產(chǎn)品人環(huán)境的系統(tǒng)中的一部分，以其自身的特點(diǎn)和特性影響著產(chǎn)品設(shè)計(jì)，不僅保證維持產(chǎn)品功能的形態(tài)，并且通過材料自身的特性滿足產(chǎn)品功能的要求，成為直接被產(chǎn)品使用者所觸

2、及的唯一對象。任何一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，只有與選用的材料性能及其加工工藝相一致，才能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的目的和要求。每一種新材料新工藝的出現(xiàn)都會為設(shè)計(jì)的實(shí)施的可行性創(chuàng)造條件，并對設(shè)計(jì)提出更高的要求，給設(shè)計(jì)帶來新的飛躍，出現(xiàn)新的設(shè)計(jì)風(fēng)格，產(chǎn)生新的功能，新的結(jié)構(gòu)和新的形態(tài)，而新的設(shè)計(jì)構(gòu)思也要有相應(yīng)的材料和工藝來實(shí)現(xiàn)，這就對材料即工藝提出了新的要求，促進(jìn)了材料科學(xué)的發(fā)展和工藝技術(shù)的進(jìn)步與創(chuàng)新?？傊O(shè)計(jì)通過材料和工藝轉(zhuǎn)化為實(shí)體產(chǎn)品，材料和工藝通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自身的價(jià)值。二者相輔相成相互促進(jìn)。一 太陽能電池材料在高科技領(lǐng)域中，太陽能電池、儲氫和核能的利用簡單說明能源與材料的關(guān)系。能源是人類賴以生存的重要資源之一，是人類社

3、會發(fā)展進(jìn)步的動(dòng)力。目前，世界上主要還是以化石能源為主要消耗，但是，隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，只依靠化石能源已不能滿足這種發(fā)展速度。而且，化石能源存在著兩大主要問題：一是資源有限，據(jù)有關(guān)專家估計(jì)，按目前世界能源消耗速度，把地球上所有的化石能源和到一起，也就足夠用一百年左右。二是化石燃料燃燒時(shí)，不但產(chǎn)生污染空氣和水的煙塵和灰渣，而且還大量排放二氧化碳，從而形成“溫室效應(yīng)”，導(dǎo)致地球氣溫上升，生態(tài)環(huán)境惡化。要解決石化燃料存在的這兩大問題，必須減少對石化燃料的依賴，增加核能、太陽能等新能源的應(yīng)用。而在新能源開發(fā)過程中，新材料的研制和應(yīng)用在提高能源轉(zhuǎn)化效率、增加穩(wěn)定性和降低成本等方面起到了至關(guān)重要的作用。

4、在某種意義上說，材料科學(xué)是新能源的重要支柱。目前應(yīng)用的太陽能電池材料主要有四種：1單晶硅和多晶硅；2非晶態(tài)硅；3硒銦銅合金；4鎘碲化物和其他的硫化物。在上述四種材料中，硅太陽能電池研究較早，生產(chǎn)技術(shù)比較完善，但單晶硅材料受其成本和抗輻射能力的影響，應(yīng)用到限制。硒銦銅合金能量轉(zhuǎn)化效率高，大面積制備簡單，性能穩(wěn)定，是一種很有發(fā)展前途的太陽能電池材料，其面臨的主要任務(wù)是進(jìn)一步降低成本，建立大規(guī)模生產(chǎn)方法。由于大規(guī)模應(yīng)用需要高技術(shù)和高投資，因此先進(jìn)的太陽能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化剛剛起步。各工業(yè)發(fā)達(dá)國家對發(fā)展太陽能產(chǎn)業(yè)都十分重視。美國、日本等都提出了本國的太陽能發(fā)展計(jì)劃，我國對開發(fā)太陽能電池新能源也比較重視，已經(jīng)在

5、陽光充足而常規(guī)能源缺乏的西藏阿里地區(qū)建成10千瓦光伏示范站。太陽能的廣泛利用，將可能比較徹底的解決能源短缺和環(huán)境惡化的問題。當(dāng)然，這需要無數(shù)的人共同的不懈努力才能實(shí)現(xiàn)。二 儲氫材料氫是無公害的燃料，如果將海水制造的氫作為燃料使用，從理論上講，燃燒只生成水，所以有利于環(huán)境保護(hù)。另外，如果能利用太陽的熱量從海水中制取氫，則能成為無污染能源系統(tǒng)。氫還是一種非常適合貯存的能源，原子能、地?zé)?、風(fēng)能、潮汐、太陽能以及火力發(fā)電，難以做到相應(yīng)于負(fù)荷的變化來調(diào)整輸出功率。因此，在非用電高峰時(shí)，貯存電力的方法至關(guān)重要。相比受地形限制很大的揚(yáng)水發(fā)電來說，用電電解水產(chǎn)生氫儲存起來更經(jīng)濟(jì)。氫燃料能否成為廣泛利用的能源，

6、尚有許多問題需要解決，也就是說，在氫的制造、貯存、輸送等各個(gè)環(huán)節(jié)中，如何做到效率高而且安全，將決定氫能系統(tǒng)成功與否，其中安全貯存和運(yùn)輸是關(guān)鍵問題之一。稀土類合金被認(rèn)為是性能最好的儲氫合金，其代表性的合金有LaNi5、MmNi5等。為了滿足使用要求，合金向多元化方向發(fā)展，已經(jīng)開發(fā)出了四元和五元合金，例如，LaNi4.7Al0.3、La0.8Nd0.2Ni2.5Co2.4Al0.1以及MmNi4.5Mn0.5等。稀土儲氫材料已得到成功的應(yīng)用，如日本川崎重工業(yè)公司用富鑭混合稀土鎳鋁合金制成容積為175立方米的儲氫容器，與同樣容積的高壓氣瓶相比，容器重量減少30%，體積減少86%。稀土儲氫合金在熱泵上

7、的應(yīng)用也取得很大進(jìn)展。三 核能用稀有金屬材料近些年，全世界核電發(fā)展迅速，已有近千座核電站在運(yùn)行。核電發(fā)電需要大量高性能材料，才能保證安全運(yùn)行。核能使用的材料分8類：核燃料、燃料包套材料、結(jié)構(gòu)材料、中子減速材料、冷卻材料、中子反射材料、中子控制材料、屏蔽材料。其中多種材料必須使用稀有材料。核燃料包套材料采用多種鋯合金。國內(nèi)核動(dòng)力堆對鋯合金的應(yīng)用有：20世紀(jì)70年代初，我國用國產(chǎn)2號鋯合金裝備了我國第一批核潛艇；清華大學(xué)研制成功的世界上第一座投入運(yùn)行的5兆瓦低溫供熱反應(yīng)堆，采用國產(chǎn)4號鋯合金作活性區(qū)流通分隔裝置和控制棒導(dǎo)向裝置的材料我國自己建造的秦山核電站的堆芯包殼管采用了4 號鋯合金。另外，金屬

8、鉿可用來制反應(yīng)堆的控制棒，鈹是核聚變動(dòng)力堆中的理想材料，鈦合金適用于制造核電站中的低壓渦輪葉片和冷卻泵部件，TiH2是優(yōu)良的中子減速材料，Gd2O3為優(yōu)良的中子吸收材料，鎢是優(yōu)良的射線屏蔽材料等。四 新型半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料與光電子材料、光子材料、新型元器件材料等構(gòu)成了信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。美國Polyera公司的研究人員開發(fā)了新型的基于萘二甲酰亞胺（naphthalene- dicarboximide）和苝二甲酰亞胺（perylenedicarboximide）的聚合物，可以輕易地接受低能電子，形成排列非常整齊的骨干結(jié)構(gòu)，使得電荷可以高效通過，該低成本、穩(wěn)定的有機(jī)半導(dǎo)體聚合物彌補(bǔ)了目前n型有

9、機(jī)半導(dǎo)體材料的空白。美國羅徹斯特大學(xué)制備出一種能持續(xù)發(fā)光的納米晶體，有望用于研制更加廉價(jià)更多用途的激光、更加明亮的LED，同時(shí)能夠作為高精度跟蹤藥物與細(xì)胞的交互作用的生物標(biāo)記物。五 生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用材料是用于診斷、治療、修復(fù)或替換病損組織、器官或增進(jìn)功能的天然或人造高技術(shù)新材料，生物醫(yī)用材料迅猛發(fā)展的主要?jiǎng)恿碜匀丝诶淆g化、中青年創(chuàng)傷的增多、疑難疾病患者的增加和高新技術(shù)的發(fā)展，盡管全球醫(yī)學(xué)材料應(yīng)用已達(dá)90多個(gè)品種、1800余種商品，但生物醫(yī)用仿生材料和人工器官設(shè)計(jì)與制造仍存在很多關(guān)鍵技術(shù)亟待突破，其材料與生物相容性研究將是一個(gè)永恒的主題。英國曼徹斯特大學(xué)將可生物降解納米纖維進(jìn)行旋涂電紡，通

10、過外科手術(shù)移植到受傷的部位，加速肌腱生長和修復(fù)，可大大縮短愈合時(shí)間。日本早稻田大學(xué)、防衛(wèi)醫(yī)科大學(xué)從螃蟹殼和海帶中提取的殼聚糖、海藻酸鈉合成出一種手術(shù)用的納米薄膜，制成厚度在301500nm的醫(yī)用“膠布”，可以用于修補(bǔ)身體內(nèi)部的傷口之后在體內(nèi)降解，克服了現(xiàn)有醫(yī)用黏合劑黏接部位容易出現(xiàn)并發(fā)癥的弊端，有助于縮短手術(shù)時(shí)間。 六 材料領(lǐng)域未來展望當(dāng)今材料科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要方向包括了：結(jié)構(gòu)功能一體化、功能材料智能化、材料與器件集成化、制備及應(yīng)用過程綠色化。主要體現(xiàn)在： （1）信息材料向超高集成電路、超低線寬、器件微型化、多功能化、模塊集成化發(fā)展。信息載體由電子向光子發(fā)展，光通信、光傳感

11、、光存儲、光轉(zhuǎn)換技術(shù)成為發(fā)展重點(diǎn)方向。DNA結(jié)構(gòu)微型芯片、壓電材料、信息存儲材料等值得高度關(guān)注。（2）結(jié)構(gòu)材料向輕質(zhì)、高強(qiáng)高韌、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、低成本、環(huán)境友好、復(fù)合化、多功能化發(fā)展。以高性能、低成本制造技術(shù)為發(fā)展重點(diǎn)，向材料設(shè)計(jì)制造評價(jià)一體化、功能化（智能化以功能材料為基礎(chǔ)）的方向發(fā)展。（3）功能材料在新型電池材料和超級電容器材料、稀土永磁材料、生態(tài)環(huán)境材料、生物醫(yī)藥與仿生材料、超導(dǎo)材料等重點(diǎn)方向取得新突破。仿人機(jī)器人、骨整合技術(shù)值得關(guān)注。（4）在材料共性關(guān)鍵技術(shù)方面，納米技術(shù)已經(jīng)成為世界高度關(guān)注點(diǎn)，實(shí)用化進(jìn)程加快，包括在納米生物傳感材料、生物醫(yī)用材料、紡織材料等。材料設(shè)計(jì)、制備、加工與綜合性能評價(jià)新技術(shù)使得材料微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐步實(shí)用化。材料智能化制備技術(shù)將材料設(shè)計(jì)、零部件設(shè)計(jì)、材料的合成制備及組織性能的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測、反饋控制融為一體。（5）材料的綠色制備技術(shù)、高效利用共性技術(shù)和工程化關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)成為提高產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力，形成大規(guī)模、低成本、環(huán)境友好材料產(chǎn)業(yè)的迫切需求。 材料領(lǐng)域?qū)?jiān)持滿足