設(shè)計材料及加工工藝第五章產(chǎn)品設(shè)計中材料的選擇與開發(fā)課件

1、第五章產(chǎn)品設(shè)計中材料的選擇與開發(fā)第1頁，共28頁。5.1 設(shè)計材料的選用5.1.1 選擇原則1、材料的外觀：考慮材料的感覺特性。根據(jù)產(chǎn)品的造型特點、民族風(fēng)格、區(qū)域特征，選擇不同質(zhì)感、不同風(fēng)格的材料。2、材料的固有特性：材料的固有特性應(yīng)滿足產(chǎn)品功能、使用環(huán)境、作業(yè)條件和環(huán)境保護(hù)的需要。 第2頁，共28頁。5.1 設(shè)計材料的選用3、材料的工藝性：材料應(yīng)具有良好的工藝性能，符合造型設(shè)計中成型工藝和表面處理的要求，應(yīng)與加工設(shè)備及生產(chǎn)技術(shù)相適應(yīng)。4、材料的生產(chǎn)成本及環(huán)境因素：在滿足設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，盡量降低成本，選用資源豐富、價格低廉、有利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的材料。 5、材料的創(chuàng)新：新材料的出現(xiàn)為產(chǎn)品設(shè)計提

2、供更廣闊的前提，滿足產(chǎn)品設(shè)計的要求 第3頁，共28頁。5.1.2 影響材料選擇的基本因素(1)功能無論怎樣的產(chǎn)品，都必須首先考慮產(chǎn)品應(yīng)具有怎樣的功能和所期望的使用壽命。這樣的考慮必定會在選用何種材料更合適方面做出總的指導(dǎo)。 (2)基本結(jié)構(gòu)要求如何綜合平衡設(shè)計中對產(chǎn)品的功能、人機工程學(xué)和美學(xué)方面的要求，以及針對批量生產(chǎn)特點的機械結(jié)構(gòu)、加工工藝難點和由此產(chǎn)生的成本問題等加以解決，已成為材料選擇中的主要問題。 第4頁，共28頁。5.1.2 影響材料選擇的基本因素(3)外觀就產(chǎn)品的表面效果來看，材料還影響著表面的自然光澤、反射率與紋理，影響著所能采用的表面裝飾材料和方式，影響著裝飾的外觀效果和在使用期

3、限內(nèi)的惡化程度與速度。 至于造型所采取的制造工藝與手段，如澆鑄、模鑄、沖壓、彎折或切削等也在很大程度上依賴于所采用的材料。 (4)安全性材料的選擇應(yīng)按照有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)選用，并充分考慮各種可能預(yù)見的危險。第5頁，共28頁。5.1.2 影響材料選擇的基本因素(5)控制件控制件對材料的選擇也有其特殊的需求。 (6)抗腐蝕性抗腐蝕性影響著產(chǎn)品的操作、外觀、壽命和維護(hù)。在直接涉及人身安全的場合，則必須通過材料的選擇來防止危險的腐蝕。(7)市場設(shè)計者必須對未來可能使用自己所設(shè)計產(chǎn)品的消費者進(jìn)行調(diào)研。如果可能，應(yīng)盡量使自己的產(chǎn)品達(dá)到或超出消費者所期望的程度。 第6頁，共28頁。5.2 材料工程的發(fā)展第7頁，共2

4、8頁?！皯?yīng)用需求”提供了本學(xué)科與社會交互作用的通道，經(jīng)由這一通道，社會向材料工作者提供需求信息，材料工作者向社會提供能滿足需求的材料或材料產(chǎn)品；“合成與加工”與社會存在著一定的相互作用，這主要體現(xiàn)在對環(huán)境的影響方面,例如，加工過程中污染物的排放、能耗大小等；“材料結(jié)構(gòu)成分”主要研究材料內(nèi)部的化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)、復(fù)合結(jié)構(gòu)的成因，以及這些結(jié)構(gòu)對性能的影響；“材料性能”主要研究性能的評價方法、測試方法及影響因素 第8頁，共28頁。1、新構(gòu)思、新觀念不斷涌現(xiàn)，成為此領(lǐng)域迅速發(fā)展的強大推力。2、營造特殊環(huán)境，利用極端手段，制備特殊材料，獲取特殊性能。3、強烈依賴其它高新技術(shù)，材料領(lǐng)域成為其它高

5、新技術(shù)綜合應(yīng)用的實驗地。4、經(jīng)濟(jì)實力成為制約材料領(lǐng)域發(fā)展速度、深度和廣度的關(guān)鍵因素。第9頁，共28頁。5.3 設(shè)計材料的開發(fā)材料的開發(fā)經(jīng)歷從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用再到實用的過程。對于新材料的發(fā)現(xiàn)和研制，材料開發(fā)循環(huán)過程為：功能需求分析-確定性能指標(biāo)-確定材料體系和加工方法-材料成分設(shè)計和工藝參數(shù)優(yōu)化-性能評價-應(yīng)用-產(chǎn)品失效分析，然后進(jìn)入下一輪循環(huán)，直至達(dá)到預(yù)定要求。 第10頁，共28頁。第11頁，共28頁。531 新材料 新材料是指采用新工藝、新技術(shù)合成的具有各種特殊機能(光、電、聲、磁、力、超導(dǎo)、超塑等)或者比傳統(tǒng)材料在性能上有重大突破(如超強、超硬、耐高溫等)的一類材料。 第12頁，共28頁。5

6、31 新材料 新材料發(fā)展的標(biāo)志引起生產(chǎn)力的大發(fā)展，推動社會進(jìn)步。從石器、陶瓷器、青銅、鑄鐵、鋼、塑料到各種新材料的出現(xiàn)，均標(biāo)志著一個相應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的歷史時期。例如，單晶硅的問世，導(dǎo)致以計算機為主體的微電子工業(yè)的迅猛發(fā)展；光導(dǎo)纖維的出現(xiàn)，使整個通訊業(yè)起了質(zhì)的變化。 第13頁，共28頁。531 新材料 新材料發(fā)展的標(biāo)志根據(jù)需要設(shè)計新材料，一改以往根據(jù)產(chǎn)品功能來選擇材料的方式，而是建立一種由材料來設(shè)計產(chǎn)品的新觀念。這種材料設(shè)計可以從組成、結(jié)構(gòu)和工藝來實現(xiàn)設(shè)計產(chǎn)品的觀念。更重要的一點是：一種新材料已經(jīng)不是只具有某一單一功能，在一定條件下可能具有多種功能，從而使材料為高新技術(shù)產(chǎn)品的智能化、微型化提供基礎(chǔ)。

7、第14頁，共28頁。532 新材料對產(chǎn)品造型設(shè)計的影響和作用 在產(chǎn)品進(jìn)一步電子化、集成化和小型化的趨勢下，新材料的使用有可能突破傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，甚至還可能引起一場材料與技術(shù)的革命，產(chǎn)生新的產(chǎn)品設(shè)計風(fēng)格。因此，設(shè)計工作應(yīng)與新材料開發(fā)建立一種互相融合的關(guān)系。產(chǎn)品外觀形象要具有未來性。新材料的使用，不僅對產(chǎn)品外觀可以起到新穎美觀獨特的裝飾作用，使設(shè)計本身變得更簡潔、合理，更具時代感。材料在與功能相適應(yīng)的同時，還要有良好的觸覺質(zhì)感和更好的可操作性。通過新材料的使用，設(shè)計應(yīng)最大限度地賦予產(chǎn)品新的魅力。設(shè)計應(yīng)進(jìn)一步開發(fā)傳統(tǒng)材料，使之在現(xiàn)代生活中具有新的意義。 第15頁，共28頁。533 新材料 的開發(fā)方向過去，

8、由于材料種類的稀少，材料與制品的對應(yīng)關(guān)系都是相對固定的，在設(shè)計中改變性質(zhì)、重新組合使用材料、改變材料用途的可能性極小。因此材料的開發(fā)成為現(xiàn)今材料科學(xué)的主要任務(wù)。當(dāng)今在新技術(shù)的驅(qū)動下，運用具有新的組合方式、新的形態(tài)和新的性質(zhì)的各種材料進(jìn)行新制品的開發(fā)會產(chǎn)生令人振奮的效果。第16頁，共28頁。第17頁，共28頁。一般認(rèn)為，新材料的研究與開發(fā)主要包括四方面的內(nèi)容新材料的發(fā)現(xiàn)或研制。已知材料新功能、新性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。已知材料功能、性質(zhì)的改善。新材料評價技術(shù)的開發(fā)。 第18頁，共28頁。材料產(chǎn)業(yè)必須重視如下問題：原材料的自然分布，材料的成型和加工性能，材料的可回收率和環(huán)境保護(hù)，從可持續(xù)發(fā)展的角度看，最

9、大效益應(yīng)該是綜合考慮上述幾方面因素的效應(yīng)。1. 基礎(chǔ)材科的開發(fā) 基礎(chǔ)材料是指金屬、木材、玻璃、陶瓷、塑料等常見材料。這些材料由于其特性的限制，不能在更多的領(lǐng)域中應(yīng)用。因此新材料的開發(fā)往往是對基礎(chǔ)材料的性能進(jìn)行改良開發(fā)，進(jìn)一步探索材料的組成、結(jié)構(gòu)和性能，以提高或替代原有材料的特性為具體目標(biāo)，使材料揚長避短，從而獲得期望的材料特性，擴大材料的使用范圍。 第19頁，共28頁。第20頁，共28頁。第21頁，共28頁。 2. 復(fù)合材科的開發(fā) 復(fù)合材料是指兩種或兩種以上不同化學(xué)性質(zhì)或不同組織結(jié)構(gòu)的材料，通過不同的工藝方法組成的多相材料，它具有單一素材無法取得的機能。這些機能包括有：各素材所保持的機能。在復(fù)

10、合與成型過程中形成的機能。由復(fù)合結(jié)構(gòu)特征產(chǎn)生的機能。復(fù)合效應(yīng)所致的機能。 第22頁，共28頁。第23頁，共28頁。開發(fā)復(fù)合材料的目的為：1、彌補某些有用材料的缺點，以更好地發(fā)揮有用的機能。2、利用具有某些特性的材料以構(gòu)成單一材料無法實現(xiàn)的特性。 3、產(chǎn)生從未有的新機能。 第24頁，共28頁。第25頁，共28頁。復(fù)合材料涵蓋面很寬，目前常采用如下方法分類。按基體分類，有金屬基復(fù)合材料和高分子(樹脂)基復(fù)合材料。按添加物的幾何形狀分類，有顆粒增強復(fù)合材粒、纖維增強復(fù)合材料、疊層增強復(fù)合材料、彌散增強復(fù)合材料等。 第26頁，共28頁。3納米材料與納米技術(shù) (1)納米材料 納米材料是由納米級原子團(tuán)組成的，由于其獨特的體積和表面效應(yīng)，它從宏觀上顯示出許多奇妙的特征。 體積效應(yīng)：當(dāng)粒徑減小到一定值時，材料的許多物性都與晶粒尺寸有敏感的依賴關(guān)系，表現(xiàn)出奇異的小尺寸效應(yīng)或量子尺寸效應(yīng)。表面效應(yīng)：納米材料的許多物性主要是由表面決定的，大量的界面為原子擴散提供了高密度的短程快擴散路徑。例如，普通陶瓷在室溫下不具有可塑性，而許多納米陶瓷在室溫下就可以發(fā)生塑性變形。納米材料的塑性變形主要是通過晶粒之間的相對滑移實現(xiàn)的。第27頁，共28頁。3納米材料與納米技術(shù) (2)納米(加工)技術(shù)在人們?yōu)?/p>