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1、第二章 设计材料的分类及特性2.1 设计材料的分类n1.按材料的来源分类n第一代：天然材料n第二代：加工材料n第三代：合成材料n第四代：复合材料n第五代：智能材料1.按材料的来源分类n天然材料不改变在自然界中所保持的状态，或只施加低度加工的材料、如木材、竹、棉、毛、皮革、石材等。 1.按材料的来源分类n加工材料利用天然材料经不同程度的加工而得到的材料，加工程度从低到高，有人造板、纸、水泥、金属、陶瓷、玻璃等。 1.按材料的来源分类n合成材料利用化学合成方法将石油、天然气和煤等原料制造而得的高分子材料，如塑料、橡胶、纤维等。 1.按材料的来源分类n复合材料用有机、无机非金属乃至金属等各种原材料复
2、合而成的材料。 1.按材料的来源分类n智能材料或应变材料随环境条件的变化具有应变能力，拥有潜在功能的高级形式的复合材料。 2.按材料的物质结构分类3.按材料的形态分类n(1)线状材料 设计中常用的有钢管、钢丝、铝管、金属棒、塑料管、塑料棒、木条、竹条、藤条等。图21为采用金属丝制作的椅子。 3.按材料的形态分类3.按材料的形态分类n(2)板状材料 设计中所用的板材有金属板、木板、塑料板、合成板、金属网板、皮革、纺织布、玻璃板、纸板等。图22为采用胶合板材制作的凳子。 3.按材料的形态分类2.2 材料特性的评价n一、材料的固有特性： 即材料的物理特性和化学特性 如力学性能、热性能、电磁性能、光学
3、性能和防腐性能等；n二、材料的派生特性：它是由材料的固有特性派生而来的，即材料的加工特性、材料的感觉特性和经济特性。这些特性的综合效应从某种角度讲决定着产品的基本特点。 2.2 材料特性的评价2.2 材料特性的评价n材料所呈现出的性能是材料内部结构的外在表现，受材料内部的微观结构所制约，这种内部结构只有用特殊的方法才能被观察到，它的变化通过材料性能变化被人们所感知，这就是我们对材料有“硬”与“软”、“脆”与“韧”、对某种环境“敏感”与“不敏感”的感性认识。 2.2 材料特性的评价2.2 材料特性的评价2.3 材料固有特性n2.3.1 材料的物理性能n1 材料的密度 n2 力学性能 n强度： n
4、弹性和塑性：n脆性和韧性n硬度n耐磨性2 力学性能强度：指材料在外力(载荷)作用下抵抗塑性变形和破坏作用的能力。材料抵抗外力产生明显塑性变形的能力称为屈服强度。n由于外力作用方式不同，材料的强度可分为抗压强度、抗拉强度、抗弯强度和抗剪强度等。 2 力学性能n弹性和塑性：弹性指材料受外力作用而发生变形这一变形称为弹性变形；塑性指在外力作用下产生变形，当外力去除时，仍能保持变形后的形状，而不恢复原形的性能。这一变形称为永久变形 2.3.1 材料的物理性能n3.热性能n导热性： n耐热性：n热胀性n耐燃性n耐火性3.热性能n导热性：材料将热量从一侧表面传递到另一侧表面的能力，通常用导热系数来表示。导
5、热系数大，是热的良导体，如金属材料；导热系数小，是热的绝缘体，如高分子材料。 3.热性能n耐热性：材料长期在热环境下抵抗热破坏的能力，通常用耐热温度来表示。晶态材料以熔点温度为指标(如金属材料、晶态塑料)；非晶态材料以转化温度为指标(如非晶态塑料、玻璃等)。 3.热性能n热胀性：材料由于温度变化产生膨胀或收缩的性能，通常用线膨胀系数表示。热胀系数以高分子材料为最大，金属材料次之，陶瓷材料最小。 3.热性能n耐燃性：材料对火焰和高温的抵抗性能。根据材料耐燃能力可分为不燃材料和易燃材料。 3.热性能n耐火性：材料长期抵抗高热而不熔化的性能。n耐火材料按耐火度又分为耐火材料、 难熔材料和易熔材料。4
6、.电性能n1）导电性：材料传导电流的能力。通常用电导率来衡量导电性的好坏。电导率大的材料导电性能好。n2）电绝缘性：与导电性相反，通常用电阻率、介电常数和击穿强度来表示。电阻率是电导率的倒数，电阻率大，材料电绝缘性好；击穿强度越大，材料电绝缘性愈好；介电常数越小 ,材料的电绝缘性越好。 5.磁性能n磁性能是指金属材料在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的性能。按磁化程度分为：n铁磁性材料在外加磁场中，能强烈被磁化到很大程度，如铁、铂、镍等。n顺磁性材料在外加磁场中，只是被微弱磁化，如锰、铬、钼等。n抗磁性材料能够抗拒或减弱外加磁场磁化作用的材料，如铜、金、银、铅 6.光性能n材料对光的反射、透射、折射
7、的性质。如材料对光的透射率愈高，材料的透明度愈好，材料对光的反射率高，材料的表面反光强，为高光材料。 2.3.2 材料的化学性能n材料的化学性能指材料在常温或高温时抵抗各种介质的化学或电化学侵蚀的能力，是衡量材料性能优劣的主要质量指标。它主要包括耐腐蚀性、抗氧化性和耐候性等。 2.3.2 材料的化学性能n耐腐蚀性：材料抵抗周围介质腐蚀破坏的能力。n抗氧化性：材料在常温或高温时抵抗氧化作用的能力。n耐候性：材料在各种气候条件下，保持其物理性能和化学性能不变的性质。n玻璃、陶瓷的耐候性好，塑料的耐候性差。 2.4 材料的工艺特性n材料的工艺性是指材料适应各种工艺处理要求的能力，材料的工艺性包括材料
8、的成型工艺、加工工艺和表面处理工艺。n它是材料固有特性的综合反应是决定材料能否进行加工或如何进行加工的重要因素，它直接关系到加工效率、产品质量和生产成本等。n材料通过工艺过程成为具有一定形态、结构、尺寸和表面特征的工业产品，将设计方案转变为具有使用和审美价值的实体。 2.4 材料的工艺特性2.4 材料的工艺特性n图26为Laborious钟，其造型简洁、明快。在n这个产品中充分运用了各种加工和表面处理方法，不同的加工方式和工艺技巧产生了不同的效果。 它采用整块不锈钢板加工而成，采用了：冲孔、弯曲、切割、铆接、研磨、抛光、涂饰等工艺手段，突出了机械美所特有的力量感和现代感。 2.4.1 材料的成
9、型加工n造型设计中，材料在通过加工后，必须能构成并且能长期“记忆”住设计所赋予它的应有形态，从而才能最终成为产品。n材料的成型加工性是衡量产品造型材料优劣的重要标志。产品造型设计材料必须具有良好的成型加工性能。n材料通过成型加工才能成为产品，并体现出设计者的设计思想。n如果没有先进、合理、可行的工艺手段，多么先进的结构和美观的造型，也只是纸上谈兵而实现不了。 2.4.1 材料的成型加工n成型加工工艺对设计效果的影响因素很多，主要从以下几个方面反映出来。 n1.工艺方法n2.工艺水平n3.新工艺的采用n4.工艺方法的综合运用1.工艺方法n不同的材料有不同的成型加工方法。钢铁材料的成型加工工艺性能
10、优良，而且成型方法很多，可采用铸造、锻压、焊接、切削加工(如车、钻、镗、磨、铣、刨等)等方法制造出许多机械设备和日用产品； 1.工艺方法n木材至今仍然是一种优良的造型材料， 用途极广。 这是由于木材具有易锯、易刨、易打孔、易组合等加工成型特性，加之木材表面的纹理能给人以纯朴、自然、舒适的感觉。 1.工艺方法n塑料制品的品种和数量日益增多，这不仅是由于塑料的原料易得、性能优良(如重量径、绝缘性好、耐腐蚀、耐药品、有绝热性等)、表面富有装饰效果和不同质感，还因为塑料的可塑性特别强，几乎可以采用任何方法自由加工成形，塑造出几何形体非常复杂的产品。 1.工艺方法n相同的材料和结构方式，采用不同的工艺方
11、法，所获得的外观效果差异较大。n例如，用同样的钢板材料，弯板制作电气控制柜用手工方法卷板成型很难达到预期效果，且费时、劳动强度大；而采用机器弯板成型工艺方法，成型准确，外观平滑整齐、美观，生产效率高，适合弯折复杂的断面，是目前钢板成型的较好工艺方式。 1.工艺方法n相同的造型，由于所选材料和工艺方法不同，其造型结构也发生相应的变化，以至最终的外观造型效果也有一定差别。n如图27所示，(a)为铸造成型；(b)采用厚钢板焊接成型；(c)采用薄钢板弯折成型(为了增加结构强度，在构件上焊接一块加强板)。 1.工艺方法2.工艺水平n材料、结构和工艺方法均相同，但由于工艺水平不同，所获得的产品质量也不同.
12、n例如，同样的零件需要铸造成型。采用翻砂铸造，所得零件粗糙，尺寸精度很低；采用熔模铸造，零件的精度和表面质量就可提高很多。n又如，为了提高机床外观质量，改变过去傻大粗黑的造型，机床铸件应采用方形小圆角显出棱角分明，形体平面平整光洁。但由于铸造工艺水平低，铸件很难满足要求。为了提高外观精度，许多精密机床的外表面不得不进行粗加工、以弥补铸件精度低的缺陷。n因此，提高工艺水平是保证产品造型效果的基本手段。3.新工艺的采用n新工艺代替传统工艺是提高产品造型效果的有效途径。随着科学技术的深入发展，先进工艺和新技术不断涌现如精密铸造、精密锻造、精密冲压、挤压、模锻、轧制和粉末冶金工艺等使毛坯趋于成品。在加
13、工中电火花、电解、激光、电子束和超声加工等工艺的发展，使难加工材料、复杂形面、精密微孔等的加工变得较为容易和方便。 3.新工艺的采用4.工艺方法的综合应用n由于不同的成型方式各具特点，以及生产设备、技术水平、加工成本等方面的限制，因而不同的成型加工方式对产品造型设计提出生产工艺方面的要求也不同。 4.工艺方法的综合应用n如铸件产品的造型设计要有适宜的脱模斜度、合理的结构和壁厚，以便于脱模和减少模具制作的困难，降低成本；n切削加工件的造型在设计上要方便刀具的正常出入；n模压产品设计要有一个合理的分型面，为了使材料充满模具，外形应力求简单、平直，并尽可能避免多孔、深孔、拉伸度过长的产品造型。 4.
14、工艺方法的综合应用n设计师虽然不直接动手参与材料的加工成型，但是必须了解所设计的产品是否有可能采用某种技术来加工成型。n设计师必须充分了解各种材料的特设计师必须充分了解各种材料的特性与适合该材料的各种成型技术性与适合该材料的各种成型技术。 2.4.2 材料的表面处理n产品设计是为了使所创造的产品与人之间取得最佳匹配的活动，而与人的关系还表现于视觉与触觉的世界，也就是材料表面的世界。 2.4.2 材料的表面处理n具体说就是要处理诸如色彩、光泽、纹理、质地等直接赋于视觉与触觉的一切表面造型要素。而这些表面造型要素则会因材料表面性质与状态的改变而改变。产品表面所需的色彩、光泽、肌理等，除少数材料所固
15、有的特性外，大多数是依靠各种表面处理工艺来取得。 1 表面处理的目的 n什么是表面处理：n表面处理技术是指采用诸如表面电镀、涂装、研磨、抛光、覆贴等能改变材料表面性质与状态的表面加工与装饰技术。 1 表面处理的目的n 表面处理的目的n1）保护产品：保护材料本身赋予产品表面的光泽、色彩、肌理等而呈现出的外观美，并提高产品的耐用性，确保产品的安全性， n2）根据产品造型设计的意图，改变产品表面状态、赋予表面更丰富的色彩、光泽、肌理等，提高表面装饰效果，改善表面的物理性能(光性能、热性能、电性能等)、化学性能(防腐蚀、防污染、延长使用寿命)及生物学性能防虫、防腐、防霉等)，使产品表面有更好的感觉特性
16、。 1 表面处理的目的n表面处理技术既可使相同材料具有不同的感觉特性(同材异质感)，又可使不同材料获得相同的感觉特性(异材同质感)，如图28所示。n如电镀不仅可改变塑料表面性能，而目可使塑料表面呈现金属的光泽和质感；n表面涂覆工艺不仅使金属获得符合设计要求的色彩，还可获得仿木纹、仿皮革、仿纺织物等各种肌理。 1 表面处理的目的2 表面处理的类型（1）表面被覆 n在原有材料表面堆积新物质的技术，依据被覆材料和被覆处理方式的不同，表面被覆处理有镀层被覆、有机涂层被覆、珐琅被覆等。（1）表面被覆n镀层被覆：镀层被覆技术能在制品表面形成具有金属特性的镀层，金属镀层不仅能提高制品的耐蚀性和耐磨性，而且能
17、够增强制品表面的色彩、光泽和肌理的装饰效果，因此能保护和美化表面，提高产品的档次。（1）表面被覆（1）表面被覆n镀层被覆的金属有铜、镍、铬、铁、锌、锡、铝、铅、金、银、铂及其合金。镀层的颜色、色调和耐候性见表24。 （1）表面被覆涂层被覆n涂层被覆技术是在制品表面形成以有机物为主体的膜层，并干燥成膜的工艺。这是一种简单而又经济可行的表面装饰方法，在工业上通常简称为涂装。图210为表面采用多色涂饰的木结构椅子。 涂层被覆涂层被覆n涂装的目的有三方面：n保护作用：防止制品表面受腐蚀、被划伤和脏污，提高制品的耐久性；n装饰作用：将制品表面装饰成涂层所具有的色彩、光泽和肌理，使制品在外观的视觉感受上成
18、为美观悦目的制品； 涂层被覆n特殊作用：使制品具有隔热、绝缘、耐水、耐辐射、杀菌、吸收雷达波、隔音、导电等特殊功能。特别是通过涂装与其他表面处理技术相叠加的多重处理，可获得能适应相当苛刻条件和使用环境的防护装饰涂层。涂层被覆n 涂装所用的材料是各种涂料，一般由主要成膜物质、次要成膜物质、辅助成膜物质和挥发物质组合而成。 涂层被覆涂层被覆n其中主要成膜物质是涂料中的主要组分，大多数为各种合成树脂，其主要作用是将其他成分粘结成一个整体，并能附着在被覆制品表面，形成坚韧的保护膜。n根据涂料中的主要成膜物质的类型，我国涂料种类可分为17类，如表25所示。涂层被覆n由于有机溶剂涂料在使用时对环境有污染，
19、同时为了节省资源，现代涂料已从有机涂料向水性涂料、粉末涂料、高固体组分涂料和反应性涂料转化，并向无溶剂涂料过渡。 涂层被覆n涂装工艺一般包括制件表面涂装前处理、涂敷涂料及涂层干燥三大步骤。n由于涂层的厚度较薄，若涂装工艺实施不当， 制件的涂层容易出现劣化、脱落、起泡、膜下浸蚀等，因此必须严格实施正确涂装工艺，保证涂装质量。 珐琅被覆 n公元前3世纪在埃及已有了在铜器表面的珐琅技术此后作为工艺技术被继承下来，发展为称作景泰蓝的工艺美术品，很受人们器重。n这种技术在工业制品上的应用则被称为搪瓷。n珐琅被覆是用玻璃质材料在金属制品表面形成一被覆层，然后在800左右进行烧制而成。图211为表面涂饰搪瓷
20、涂层的灯具。 珐琅被覆珐琅被覆n铁、铜、铝、不锈钢以及金、银都可被覆珐琅。n采用法琅被覆的制品具有坚固性和耐蚀性，并有优良的装饰性。但其缺点是受到冲击和温度急剧变化时，珐琅层容易剥落。 （2）表明层改质n改变原有材料的表面性质。可以通过物质扩散在原有材料表面渗入新的物质成分， 改变原有材料表面的结构，如钢材的渗碳渗氮处理、铝的阳极氧化、玻璃的淬火等；n也可以通过化学的或电化学的反应而形成氧化膜或无机盐覆盖膜来改变材料表面的性能，来提高原有材料的耐蚀性、耐磨性及着色性等。 （2）表明层改质n表面层改质处理的方法主要有化成处理和阳极氧化处理。化成处理：是通过氧或碱液的作用使金属表面形成氧化物或无机
21、盐覆盖膜的过程。n进行化成处理后，要求形成的覆盖膜对基体材料具有耐蚀保护性、耐磨性，并对基本材料有良好的附着能力，即不会从基体金属上剥离。 （2）表明层改质阳极氧化处理：将金属制件置于电解槽中的阳极上，通过电化学作用使其氧化而形成氧化膜的过程称为阳极氧化，这种表面处理方法对铝及其合金制件广泛使用。 n经过阳极化氧处理可在表面获得厚度为几十到几百微米的氧化膜，井能通过调整阳极氧化所用的电解液及工艺条件等，得到不同硬度、弹性、孔隙及孔径的氧化膜。 （2）表明层改质n铝及铝合金经阳极氧化处理后得到的新鲜氧化膜，具有多孔状结构所以膜层有很好的吸附性，对各种染料表现出良好的吸附能力， 因而再经过一定的工
22、艺处理，可染上各种鲜艳的色彩。不仅具有防护作用，还有装饰效果。图212为表面采用阳极氧化处理的铝壶。 （2）表明层改质（3）表明精加工n将材料加工成平滑、光亮、美观和具有凹凸肌理的表面状态。通常采用切削、蚀刻、喷砂、抛光等方法。图213为表面经过精加工处理的玻璃杯。 （3）表明精加工3材料表面处理工艺的选择原则n(1)形态的时代性 n(2)求简的单纯性 n(3)功能的合理性 n(4)情感的审美性 n(5)产品档次的经济性 n(6)成本n(7)环境保护 (1)形态的时代性 n产品的造型只有在提供了新材料、新工艺、新技术的基础上才可能反映出产品的时代性。产品的装饰工艺反映时代的科学技术水平。 (2
23、)求简的单纯性 n产品形态的设计简洁、单纯是现代工业产品的鲜明特色，是时代的要求。n在选择装饰工艺时，必须经过充分的提炼、概括，删繁就简，以清新的时代面貌展现产品单纯性的美观。(3)功能的合理性 n表面处理工艺突出产品功能的主体部分，强调功能的正确使用要求根据功能对操作的不同影响采选择适当的处理方法。 (3)功能的合理性n例如，视觉显示器的层表面必须具有较低的反射率，以防止眩光与反射， 并具有增强图形字符与背景对比的性质，以便于操作者清晰、正确的辨识。n触觉控制器会有两种截然相反的要求，一方面，在需要可靠抓捏的场合，要求摩擦力大；另一方面，在要求能顺利滑移的场合，则要求摩擦力小，例如，手动或脚
24、踏控制可能会分别要求相应的控制器具有较高或较低摩擦力的表面，以有利于握紧或滑移。 (4)情感的审美性 n美是人们在生活中的感觉，它与人的主观条件如想象力、修养、爱好分不开。n因人、因时代、因地域、因环境等因素而异。满足人们情感需求的审美性，是选择装饰工艺的又一原则。 (5)产品档次的经济性 n由于消费层次的差异产品分为高中低不同档次。在对产品选择表面处理工艺时，必须考虑到产品档次的经济性，以求得产品的合理装饰，使生产获得理想的经济效益。 (5)产品档次的经济性n高档产品又称豪华型产品，它象征使用者的富有、气派。在选用表面处理工艺时，一是对产品外观进行多侧面表面处理，或提高材料本身的质感，或改变
25、材料的肌理，使产品呈现精美感；二是采用多种新的表面处理工艺、使产品具有现代感、贵重感。n 中档产品是消费层次较广的一种产品。由于此产品销售面广，价格适中，因此在选用表面处理工艺时既要使产品保持一定的档次，不失现代感，又要考虑产品的价格，不可随意使用表面处理。n低档产品也称为普及型产品。由于售价低，应尽量减少使用表面处理。以获得生产的经济效益。 (6)成本 n表面处理也同样存在成本问题。在表面涂装上无暇疵、高光泽或无光泽的高级涂料显然比一般的表面处理成本高。n在当今市场上，人们往往宁可付出更多的钱去购买他们喜爱的东西，而不愿选泽较便宜但质量较次的产品。 (6)成本n有时在可供选择的几种表面处理方
26、法中，虽然某种方法的成本相对要高些，但随着技术的发展和综合考虑，却发现这种技术往往是更切实可行。n例如在安装街灯时，决定选用钢质灯柱，因为它的单价比水泥柱低。但由于钢柱使用年限仅20年，而且还需定期油漆、维护，结果在后期实际付出的代价是原价的两倍以上。而水泥柱可不必油漆，并可使用更长年限。因此，成本必须与运行费用取得合理的平衡，选泽时应作长期考虑。 (6)成本n对于耐用消费品，必须保证产品在正常使用情况下、其表面的处理效果不会在机构构件失效之前就被腐蚀、损坏。否则就会使产品丧失信誉，因而失去用户的信任。n为此可采取适当措施，如在需要光洁表面处理时， 以不锈钢代替需油漆或电镀的普通材料。这样，可保证产品既有美观的外形又能抵抗腐蚀和气候影响，虽然这样处理会使成本提高，可以相信消费者是会满意的，并乐于为此付出代价。 （7）环境保护n在表面处理工艺及涂、镀材料的选泽中，同样应考虑环境保护的因素。传统的涂、镀工艺不仅使能源消耗大，而且给环境带来污染。n 例如，含有溶剂的油漆，在其形成漆膜的过程中挥发的溶剂有很大的毒性；在电镀过程中产生的含铬的电镀液也严重污染了环境。n近年采开发研制的一些表面处理技术则充分考虑了环境保护的因素。例如，粉末涂料是一种不含有机溶剂的固体粉末，其材料利用率几乎为100，成膜均匀光滑，耐磨性好，而且能耗低，废物处理少，基本消除了对环境的污染。
