工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及材料選擇

工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及材料選擇

學(xué)習(xí)目標(biāo)：了解材料工業(yè)的發(fā)展對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響。掌握金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料、復(fù)合材料四大類材料的分類原則與方法。記住常用材料的組成成分、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和用途。體會(huì)不同材料設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品帶給人們不同的視覺、聽覺、觸覺和心理感受。材料指可以直接制造成品的自然物與人造物，也可以稱之為物質(zhì)或原料，或稱為尚未定型的物。所有材料均以“貌”呈現(xiàn)給人們，并以此區(qū)別不同的物質(zhì)材料，這便是各種材料的獨(dú)有特征。

設(shè)計(jì)就狹義方面而言，可解釋為：為某一目的而賦予材料形狀、色彩和機(jī)能，而材料必須合乎目的的需要。本章就材料與設(shè)計(jì)相互間的關(guān)系做一番討論。設(shè)計(jì)中常見材料

設(shè)計(jì)中所用材料主要有金屬材料、無機(jī)材料、有機(jī)高分子材料和復(fù)合材料四類。金屬材料又可以分為黑色金屬和有色金屬兩種。長期以來黑色金屬在工程上得到了廣泛應(yīng)用。無機(jī)非金屬材料和有機(jī)高分子材料種類繁多，常用的有塑料、橡膠、玻璃、陶瓷、木材等。非金屬材料的使用歷史悠久。近幾十年來，非金屬材料也得到了廣泛的研究和飛速的發(fā)展，從而適用范圍日益增大。復(fù)合材料由于性能特殊，是未來前景特別寬廣的材料。金屬材料

金屬材料是具有光澤、延展性、導(dǎo)電、傳熱等性能的物質(zhì)，除汞外，在常溫下均為固體。金屬具有較高的強(qiáng)度、硬度及韌性。通常金屬材料分為兩大類：一類稱為鐵金屬材料，以鐵為主，因其色為黑色，故又稱為黑色金屬。另一類稱為有色金屬材料，如金、銀、銅、鎳、鋁、鉛等，各具顏色，故稱有色金屬。因金、銀金屬的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不易生銹，故又稱為貴金屬。一種金屬元素與其他金屬元素熔合而成的物質(zhì)，稱為合金。合金的物理性質(zhì)已不同于原來的金屬，一般合金比純金屬性能優(yōu)異，合金可達(dá)到改善性能及研制新金屬材料的目的。黑色金屬及其合金

黑色金屬就是通常所說的鋼鐵。歷史上，鋼鐵的出現(xiàn)晚于青銅。從使用青銅器到鐵器的過渡標(biāo)志著生產(chǎn)得到了質(zhì)變的飛躍發(fā)展。這個(gè)轉(zhuǎn)變?cè)谖覈l(fā)生在春秋戰(zhàn)國時(shí)期，即公元前770年到公元前221年間。

黑色金屬包括鋼、鑄鐵和鐵合金。在工程上，黑色金屬得到了最廣泛的應(yīng)用。在結(jié)構(gòu)和工具材料范圍內(nèi)，鋼鐵的用量占到了90%以上。鋼鐵之所以會(huì)得到如此廣泛的應(yīng)用，是由于其具有優(yōu)越的綜合工程性能，包括力學(xué)性能（強(qiáng)度、剛度、沖擊韌性等）、冷熱加工成型性能、抗腐蝕性能等。此外，價(jià)格比較便宜也是重要原因。1.純鐵鐵元素的符號(hào)是Fe。純鐵質(zhì)軟、價(jià)格昂貴，不能作結(jié)構(gòu)材料使用。純鐵（或通常稱為工業(yè)純鐵）的特點(diǎn)是：強(qiáng)度低、硬度低、塑性好。純鐵的用處不多。2.鑄鐵含碳量大于2.11%的鐵碳合金稱為鑄鐵。由于工藝簡單、價(jià)格便宜，鑄鐵在機(jī)械中有極其廣泛的應(yīng)用。如按重量統(tǒng)計(jì)，在汽車、拖拉機(jī)中鑄鐵件占50%-70%，在機(jī)床中占60%-90%。在鑄鐵中，碳是以石墨形式存在的。石墨的形態(tài)在很大程度上決定了鑄鐵的品種（灰口鑄鐵、白口鑄鐵、可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵）和性能。1）灰口鑄鐵2）球墨鑄鐵3）可鍛鑄鐵3.碳鋼碳素鋼簡稱碳鋼，就是含碳量在0.0218%-2.11%范圍內(nèi)的普通鐵碳合金。在鋼的熔煉過程中會(huì)帶入許多雜質(zhì)，雜質(zhì)會(huì)影響碳鋼的性能，尤其是有害雜質(zhì)使鋼的性能大幅度下降。因此，在煉鋼的過程中，必須有效控制有害雜質(zhì)的含量。1）碳鋼中的雜質(zhì)元素①錳（Mn）。碳鋼中的錳元素因熔煉中使用錳鐵脫氧而存在較多，含量可達(dá)0.25%-0.80%。錳元素的存在，可以降低碳鋼的脆性，它還可與硫元素生成MnS，從而降低硫元素的有害作用，錳的存在還可以改善碳鋼的熱加工性能。因此，錳在碳鋼中是有益雜質(zhì)。②硅（Si）。碳鋼中硅元素的較多存在是由于使用硅鐵脫氧。在熔煉所謂沸騰鋼時(shí)（只用錳鐵脫氧），硅含量僅0.03%-0.07%；而用鋁、硅鐵和錳鐵脫氧熔煉鎮(zhèn)靜鋼時(shí)，硅含量可達(dá)0.10%-0.40%。類似于錳，硅在碳鋼中也是可以改善其性能的有益元素。

③硫（S）。硫在碳鋼中的存在是由礦石和燃料（焦炭）含硫而帶入。硫不溶于鐵，而以硫化鐵（FeS）的形式存在，導(dǎo)致碳鋼在加熱時(shí)晶界上的共晶體融化而裂開（熱脆性）。因此，硫是有害雜質(zhì)。④磷（P）。磷一般也是有害雜質(zhì)。在碳鋼中，磷部分溶于鐵素體中，部分形成脆性很大的Fe3P，使低溫下鋼的塑性和韌性急劇下降（冷脆性）。⑤其他雜質(zhì)。氧（O）的存在對(duì)碳鋼的力學(xué)性能不利；氮（N）可導(dǎo)致碳鋼的硬度和強(qiáng)度提高但會(huì)使塑性下降，脆性增加；氫（H）的存在造成碳鋼的“氫脆”和白點(diǎn)等缺陷。所以對(duì)這些雜質(zhì)含量要進(jìn)行控制。2）碳鋼的分類⑴按含碳量分類①低碳鋼。含碳量范圍是wc≤0.25%。②中碳鋼。含碳量范圍是0.25%＜wc≤0.6%。③高碳鋼。含碳量范圍是0.6%＜wc≤2.11%。⑵按質(zhì)量分類

按質(zhì)量分類的含義是控制碳鋼中以硫、磷為主的有害雜質(zhì)的含量。①普通碳素鋼。ws≤0.050%，wp≤0.045%。②優(yōu)質(zhì)碳素鋼。ws≤0.040%，wp≤0.040%。③高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼。ws≤0.035%，wp≤0.035%。⑶按用途分類①碳素結(jié)構(gòu)鋼。用于加工制造工程構(gòu)件和機(jī)器零件，大多數(shù)是中低碳鋼。②碳素工具鋼。用于各種工具（量具、刃具、工具、模具、卡具等）。⑷按冶煉方法分類①平爐鋼。平爐容量大，熔煉時(shí)間長，質(zhì)量高。②轉(zhuǎn)爐鋼。轉(zhuǎn)爐容量較小，但熔煉時(shí)間短。按吹氧方式又分底吹、側(cè)吹和頂吹三種方式。不同的冶煉方法對(duì)鋼的質(zhì)量有一定影響。另外，還有電爐煉鋼，用各種電能形式（以電弧加熱為多）熔煉，成本較高。但可熔煉各種高級(jí)合金鋼。3）碳素鋼的常用牌號(hào)⑴普通碳素鋼（分為三類）具體牌號(hào)為Q195、Q215、Q235鋼應(yīng)用最為廣泛，用于制作鋼筋、鋼板、農(nóng)業(yè)機(jī)械用型鋼和不重要的機(jī)械零件。⑵優(yōu)質(zhì)碳素鋼具體牌號(hào)從數(shù)字10起每隔5表示一種鋼種。例如應(yīng)用最廣泛的優(yōu)質(zhì)中碳結(jié)構(gòu)鋼是45鋼，表示其含碳量大致在0.45%左右。10鋼和20鋼，都是廣泛用于沖壓和焊接的優(yōu)質(zhì)低碳鋼。20鋼還廣泛用作熱處理（表面滲碳）鋼，故又常被稱為滲碳鋼。65鋼，通常用來制造各種彈簧，所以常常被稱為彈簧鋼。⑶鑄鋼鑄鋼是用鑄造（熔化澆注）方式成型的一種專用鋼種。通常用ZG后加表示含碳量的數(shù)字來表示鑄鋼的牌號(hào)。其表示含碳量數(shù)字的含義與優(yōu)質(zhì)碳素鋼相同。⑷碳素工具鋼和高級(jí)碳素工具鋼

碳素工具鋼的牌號(hào)有T8、T9、T10、T11、T12和T13。高級(jí)碳素工具鋼的牌號(hào)須在相應(yīng)的碳素工具鋼牌號(hào)后面加A（如T7A），表示其質(zhì)量更好。這類鋼種主要用于各種工具，包括量具、刃具、工具、卡具、模具。例如T8通常用來制作沖頭和錘子，T9、T10、T11通常用來制作鉆頭、絲錐、鋸條和冷作模具，T12、T13通常用來制作銼刀、刮刀和量規(guī)。制作這些工具都要經(jīng)過熱處理，否則硬度仍無法達(dá)到要求。4）碳鋼的熱處理熱處理是使碳素鋼提高和改善其性能的重要工藝過程，否則各個(gè)鋼種之間的性能差別不大，許多鋼種也無法發(fā)揮出其潛在的優(yōu)異特性。4.合金鋼2）合金工具鋼由于工具使用條件的嚴(yán)酷，因此合金工具鋼的普遍特點(diǎn)是：合金含量高，且大量使用稀貴合金元素（如鎢、鋁、釩、鉻等）。①刃具鋼。用于制造各種刃具。如低合金刃具鋼9SiCr、高速鋼W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2和W6Mn5V2。②模具鋼。分冷模具鋼和熱（鍛）模具鋼。冷模具鋼如Cr12、Cr12MoV；熱鍛模具鋼如3Cr2W8V、5CrNiMo。一般，量具沒有專用鋼材，簡單量具可用高碳鋼制造，復(fù)雜量具可用低合金刃具鋼制造，高精度的復(fù)雜量具可用CrMn和CrWMn鋼制造。3）特殊性能鋼特殊性能鋼主要有不銹鋼和耐熱鋼兩類。不銹鋼要求耐腐蝕，耐熱鋼要求抗氧化和抗高溫蠕變。耐腐蝕和抗氧化有共同性，因此有的鋼種既是不銹鋼，也是耐熱鋼。特殊性能鋼中也大量應(yīng)用合金元素（如鉻、鎳、鋁、釩等），且合金元素的用量較大，以達(dá)到耐腐蝕或耐高溫的特殊性能。

常用不銹鋼。Cr18Ni9、1Cr18Mo10Ni5Mo3N。常用耐熱鋼。3Cr18Ni25Si2、1Cr18Ni9Ti。后者也是一種典型的不銹鋼。有色金屬及其合金1.鋁和鋁合金鋁的相對(duì)密度為2.7，僅為鋼鐵的三分之一。鋁合金的強(qiáng)度可達(dá)到與低合金高強(qiáng)度鋼接近。鋁的導(dǎo)電性能好，僅次于銀、銅和金。鋁靠電解鋁礬土得到，資源豐富。鋁抗大氣腐蝕的性能好（但接觸酸、堿或鹽類后的抗腐蝕性不佳）。鋁的加工性能好：可冷成型，切削性能好，鑄造性能也好。因此，鋁的應(yīng)用十分廣泛。1）純鋁純鋁按其純度有以下幾類：①高純鋁。純度達(dá)99.93%-99.99%,牌號(hào)是L01-L04。一般用作制造電容器。②工業(yè)高純鋁。純度為98.85%-99.9%，牌號(hào)是LG1-LG5。用作制鋁箔、包鋁以及熔煉鋁合金。③工業(yè)純鋁。純度為98.0%-99.0%，牌號(hào)是L1-L5。用于制作電線電纜及配制合金。2）鋁合金⑴變形鋁合金通過添加合金元素獲得高強(qiáng)度，同時(shí)保持良好的加工性能。①防銹鋁合金。其塑性和可焊性能好，但切削性能不好（太軟）。牌號(hào)如LF21為鋁錳合金，可用于制作容器、管道、焊接件、深拉延或彎曲的低載零件和制品、鉚釘?shù)?。另有LF5、LF11是鋁鎂合金，用途基本相同。②硬鋁合金。為鋁、銅、鎂的合金，另含少量錳?！さ秃辖鹩蹭X。牌號(hào)LY1，LY10；塑性好，強(qiáng)度低，只能制作鉚釘。·標(biāo)準(zhǔn)硬鋁。牌號(hào)LY11，強(qiáng)度和塑性中等，可制作軋材、鍛材、沖壓件、螺旋槳葉及大型鉚釘?shù)?。·高合金硬鋁。牌號(hào)LY12、LY6，塑性較差，但強(qiáng)度好?？芍谱骱娇斟懠?、重要的銷和軸?！こ蹭X合金。系鋁、鎂、鋅、銅的合金。牌號(hào)如LC4，可制作飛機(jī)起落架、大梁等重要零件?！ゅ戜X合金。牌號(hào)有LD5、LD7、LD10。分別為鋁、鎂、硅、銅或鋁、銅、鎂、鐵的合金?？芍谱魇苤剌d的鍛件和模鍛零件。⑵鑄造鋁合金①鋁硅合金。如ZL101、ZL104、ZL105、ZL106、ZL107、ZL108、ZL109、ZL110等?？设T造活塞、電動(dòng)機(jī)殼體、汽缸體等。②鋁銅合金。如ZL201、ZL203。高強(qiáng)、耐熱，但鑄造性能稍差。也可制造活塞、汽缸體等。③鋁鎂合金。如ZL301、ZL302。耐腐蝕性強(qiáng)，鑄造性能稍差?？设T造船艇配件及氨用泵體等。④鋁鋅合金。鑄造性能差。可鑄造發(fā)動(dòng)機(jī)零件、復(fù)雜儀器元件及日常用品。

鋁合金是設(shè)計(jì)中廣為應(yīng)用的材料。如圖1所示的是用鋁合金設(shè)計(jì)的臺(tái)燈。2.銅和銅合金銅是電和熱的良導(dǎo)體，銅對(duì)大氣和水的抗腐蝕性強(qiáng)，在電子設(shè)備中常用于磁屏蔽。銅的加工性能好，易冷熱成型；銅的鑄造性能也很好。此外，銅的色澤很美觀。因此，銅的應(yīng)用廣泛。銅的有些合金還有一些特殊的性能。例如青銅和黃銅有很好的減摩性及耐磨性；磷青銅和鈹青銅具有很高的彈性和疲勞極限，在電器中得到廣泛應(yīng)用。銅及其合金的價(jià)格較貴，限制了其應(yīng)用范圍。1）純銅純銅即紫銅，牌號(hào)為T1-W。純銅多用于制造導(dǎo)電材料及配制合金。2）黃銅黃銅是以銅、鋅為基礎(chǔ)的合金。⑴普通黃銅黃銅的牌號(hào)為H96-H59。“H”為“黃”的漢語拼音首字母，后面的數(shù)字表示銅的百分含量。當(dāng)鋅含量在30%-32%以下時(shí)，合金的強(qiáng)度隨鋅含量的增加而提高。但超過45%以后，強(qiáng)度和塑性急劇下降，故黃銅中的鋅含量最高不超過41%。H80-H68一般用于冷軋型材及復(fù)雜的深沖壓零件；H59-H62多用于熱軋型材及鑄造零件。⑵復(fù)雜黃銅復(fù)雜黃銅的牌號(hào)表示為：H（黃銅首字漢語拼音首字母）+主加合金元素符號(hào)+銅含量+主加元素含量。例如HPb60-1，表示鉛黃銅，銅含量60%，鉛含量1%，復(fù)雜黃銅有以下五類：①鉛黃銅。有良好的切削性和耐磨性，適于制造鐘表零件、軸瓦和鑄造軸承襯套。②錫黃銅。對(duì)海水的抗腐蝕性好，適于制作海船零件。③鋁黃銅。對(duì)大氣的抗腐蝕性好，適于制造海船及其他機(jī)器零件、大型蝸桿。④硅黃銅。鑄、焊和切削性能都好，適于制造船舶及機(jī)器零件。⑤錳黃銅。高強(qiáng)度但不降低塑性，對(duì)海水的抗腐蝕性好，適于制造船艦零件和軸承。3.鎂、鋅、錫、金、銀①鎂，符號(hào)Mg。銀白色、質(zhì)輕。鎂和鋁的合金是制造飛機(jī)的重要材料。②鋅，符號(hào)Zn。質(zhì)脆，大多用作壓鑄合金或鋼板的防腐鍍料。③錫，符號(hào)Sn。純錫為銀白色，富有延展性，在空氣中不易變化，多用作鍍鐵、焊接金屬或制造合金。④金，符號(hào)Au。赤黃色，質(zhì)柔軟，延展性強(qiáng)，化學(xué)性能穩(wěn)定。屬貴重金屬，合金常用于制造貨幣和裝飾品等。因難于氧化，故設(shè)計(jì)中常在裝飾部位或電器接點(diǎn)處作鍍金處理。如圖2所示的是鍍金的門把手。⑤銀，符號(hào)Ag。呈白色，質(zhì)軟，延展性很強(qiáng)，是熱和電的良導(dǎo)體。在空氣中不易氧化，常用作鍍金屬器物。銀合金可制造貨幣、日用器皿和裝飾品。如圖3所示的是用銀合金設(shè)計(jì)制造的器皿。無機(jī)非金屬材料

無機(jī)非金屬材料分子量低，屬于無機(jī)物質(zhì)。一般來源于天然的物質(zhì)，如天然石材、玻璃、陶質(zhì)材料、木材、無機(jī)膠凝材料等。陶瓷陶瓷是陶器和瓷器的總稱。硅酸鹽材料是陶瓷的重要組成部分。由于近代無機(jī)非金屬材料的發(fā)展，“陶瓷”的概念擴(kuò)大了，故所有的無機(jī)非金屬材料統(tǒng)稱為陶瓷。陶瓷材料具有極好的耐熱性能和化學(xué)穩(wěn)定性，這些性能可滿足一些較高的使用要求。如剛玉瓷，可耐1700℃高溫。透明的剛玉可制作高壓鈉燈。氮化硅和氮化硼幾乎接近金剛石的硬度，可制作比硬質(zhì)合金更優(yōu)良的刀具。但陶瓷性能脆性極大，抵抗內(nèi)部裂紋擴(kuò)展能力低。傳統(tǒng)陶瓷，是以粘土、長石、石英等天然原料為主，經(jīng)粉碎、成型、燒結(jié)工藝制成的產(chǎn)品。主要包括日用陶瓷如圖4所示；建筑陶瓷、衛(wèi)生陶瓷，如圖5所示；低壓和高壓陶瓷，耐酸堿的化工陶瓷以及具有過濾和隔熱功能的多孔陶瓷等。玻璃玻璃是以石英砂、長石、石灰石，純堿等為主要原料，加入一些金屬氧化物等，經(jīng)高溫熔化成型，冷卻后形成透明的固體材料。其主要成分是二氧化硅、氧化鈉和氧化鈣。玻璃因其透明和色彩豐富而用途廣泛。按其用途劃分，玻璃可分為：容器玻璃、儀器及醫(yī)療玻璃、平板玻璃、電真空玻璃（電光源和電真空器件外殼，如燈泡燈管殼、真空管殼等、顯像管殼）、光敏玻璃（用于光掩模材料和光開關(guān)器件等）平板玻璃是玻璃中用量最大的一種。平板玻璃有多種再制品，或稱為加工板玻璃。加工板玻璃主要有：①毛玻璃。即磨面板玻璃。如用掩模，則可加工成各式花紋圖案。②組合板玻璃。即夾膠玻璃或稱安全玻璃，用膠將兩層玻璃粘合而成。可用作車輛的風(fēng)擋玻璃。③鋼化板玻璃。將玻璃加熱到軟化程度（600-650℃），用夾具使之維持所需的空間曲面形狀后用冷風(fēng)使其急冷而成。風(fēng)冷鋼化玻璃不易破碎。一旦受到強(qiáng)大外力而破碎后，全部碎成無尖角的碎片。因此，可用于汽車的風(fēng)擋玻璃。其缺點(diǎn)是需要較高的模具費(fèi)用。木材木材是人類使用最古老的造型材料之一。木材取之于森林，而森林在生態(tài)、資源和環(huán)境保護(hù)中有其特殊的意義。森林本身又不是能迅速得以成長和恢復(fù)的，因此近年來各國都特別強(qiáng)調(diào)節(jié)約木材，限制木材的使用以及綜合利用有限的森林資源。木材質(zhì)輕，有美麗的天然色澤和花紋，易加工，易涂飾，電和熱的傳導(dǎo)率低。但易變形，易燃，各向異性以及吸濕性使其在使用時(shí)又存在一定的缺點(diǎn)和局限性。此外，由于大多數(shù)木材是天然生成（另有少數(shù)是木材的再制品），不可避免存在樹節(jié)、蟲害、彎曲變形、裂紋等缺陷，加上運(yùn)輸和儲(chǔ)存中可能造成的變色、腐朽，使加工選料增加了難度，也降低了木材的利用率及使用外觀效果。木材的加工成型前必須經(jīng)過干燥，使其含水率符合使用要求。木材干燥后能防止收縮、裂紋和變形，使制品質(zhì)量保持穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、平整、美觀、耐用，避免變質(zhì)和腐朽。木材干燥的同時(shí)還能夠除去木材中的部分膠性物質(zhì)。木材可以采用大氣（天然）干燥和人工干燥兩類方法。天然干燥利用空氣流通達(dá)到，設(shè)備簡單，容易掌握，費(fèi)用低，但時(shí)間長，占用場(chǎng)地，干燥效果與干燥場(chǎng)地環(huán)境以及自然條件（如氣候）等有較大關(guān)系，質(zhì)量不易保證。人工干燥時(shí)間短，但需相應(yīng)設(shè)備。目前所用較多的是蒸汽窯或紅外線（電加熱）窯等。常用木材有原木和人造板材兩類。原木即人工采伐得到的樹干，經(jīng)去皮后按一定規(guī)格鋸成一定尺寸的木材。原木除可直接用作電桿、樁木、坑木外，一般都要經(jīng)縱向鋸割制成鋸材，即板材和方才（通常以寬度為厚度的三倍來劃分）。人造板材則是利用原木、刨木、木屑、小材、廢材以及其他植物（如竹材）或其纖維等為原料，經(jīng)過機(jī)械或化學(xué)處理制成的板材。人造板提高了木材的利用率。常用的人造板材有：①膠合板。奇數(shù)層（三層、五層等）的薄單板熱壓膠合而成。各層間木纖維方向互相垂直。膠合板平整，不易干裂、翹曲，適于制作大面積板狀部件，如家具、隔墻、天花板以及吊頂、護(hù)壁板等室內(nèi)裝修。②刨花板。用木材廢料加工成刨花后，經(jīng)加膠熱壓制成的板材。刨花板幅面大，表面平整，隔熱、隔音性能好，縱模強(qiáng)度一致，加工方便，表面還可以進(jìn)一步貼面或裝飾，價(jià)格也比較便宜。但不宜用于潮濕處。③纖維板。纖維板利用木材加工的廢棄料或植物纖維，經(jīng)破碎、浸泡、制漿、成型和熱壓等工序加工而成。按容重分為硬質(zhì)、半硬質(zhì)和軟質(zhì)三類。纖維板材質(zhì)均勻，各向強(qiáng)度一致，不易脹縮和開裂，隔熱隔音，加工性好?？捎糜诟黝惣揖叩谋嘲濉⒌装搴晚敯宓确峭饴恫考?，也可作隔熱吸音材料。有機(jī)高分子材料

有機(jī)高分子材料亦稱為”大分子化合物”、“高聚物”。通常有機(jī)高聚物的分子可高達(dá)數(shù)千乃至數(shù)百萬以上。分為天然和合成兩大類。天然的如纖維素、天然橡膠等。合成的多由單體經(jīng)聚合反應(yīng)而成，如合成橡膠、合成纖維、合成樹脂等。日常接觸的絕大部分是由低分子化合物聚合而成的高分子材料，如聚乙烯、氯丁橡膠、滌綸纖維等。橡膠橡膠是一種高分子彈性材料。其特點(diǎn)是在很寬的溫度范圍（-50—150℃）內(nèi)有優(yōu)越的彈性。所謂彈性大是指在較小的負(fù)荷下產(chǎn)生很大的變形，而除去負(fù)荷后又能很快恢復(fù)原始狀態(tài)。材料的彈性可以用其彈性模量來表示。橡膠的彈性模量僅為鋼鐵的三萬分之一，在相同的拉伸負(fù)荷下，橡膠的相對(duì)伸長會(huì)是鋼鐵的300倍。橡膠可分為天然橡膠和人工合成橡膠兩類。天然橡膠是采自于橡膠樹樹皮上的一種白色黏液。天然橡膠具有最佳的綜合機(jī)械性能，但產(chǎn)量有限，使其應(yīng)用受到了相當(dāng)?shù)南拗?。人工合成橡膠的種類有上百種，常用的就有丁苯膠、順丁膠、異戊膠、氯丁膠、丁脯膠、硅橡膠、氟橡膠、丁基膠等等。人工合成橡膠也可按其性能和使用范圍分成通用合成橡膠和特種橡膠。前者廣泛用于輪胎、運(yùn)輸帶、膠管、密封件、減振裝置等各種工業(yè)制品，各種日常用品以及醫(yī)療器械中。特種橡膠在高低溫時(shí)有良好的性能以及對(duì)酸、堿、油、輻射等介質(zhì)有良好抗性，多用于有特殊要求的場(chǎng)合。例如硅橡膠有良好的耐高低溫（-90—300℃）特性；氟橡膠具有優(yōu)異的對(duì)酸堿和強(qiáng)氧化劑的耐腐蝕性能；丁脯膠的耐熱、耐燃性能以及對(duì)常用的有機(jī)溶劑的耐受性很好（但耐寒性差，耐酸性也差）；氯丁膠的耐紫外光和抗老化性能很好，被稱為“萬能橡膠”（但其相對(duì)密度大，耐寒性和電絕緣性也差）。普通橡膠具有良好的絕緣性能，可用作電線包皮等場(chǎng)合。特殊橡膠中有所謂導(dǎo)電橡膠，常用于制作計(jì)算器、各種遙控器的按鈕。橡膠制品的制作成形通常有混煉和硫化兩大步?；鞜捠菍⑾鹉z的各種組分（橡膠、填料及各種改性添加劑）經(jīng)配制、混合，煉制成混煉膠；然后將混煉膠搓揉成合適形狀后填入橡膠模具的型腔內(nèi)進(jìn)行硫化成型。

通用橡膠的性能及用途見表1塑料合成樹脂是具有塑性的物質(zhì)。按其加熱后性質(zhì)的變化和成型工藝的特點(diǎn)又可分為熱塑性和熱固性樹脂兩大類。熱塑性樹脂變熱后可軟化，具有流動(dòng)性，在外力作用下成型，冷卻后即固化。熱固性樹脂變熱后具有流動(dòng)性，成型冷卻后不能再度軟化。為改善單一樹脂加工或制作性能的不足，在使用時(shí)加入填充劑、增塑劑、穩(wěn)定劑、著色劑等添加劑形成新的材料，稱為塑料。

每一種塑料都有其特殊的性能。但他們又具有某些共性：①無色，可任意著色。②質(zhì)輕，比強(qiáng)度（單位重量所能達(dá)到的強(qiáng)度）高。③質(zhì)硬，彈性和柔性好，耐磨。④化學(xué)穩(wěn)定性好，耐腐蝕性好，耐紫外光好，耐候性好。⑤電絕緣性和熱絕緣性好。⑥吸振，消聲。我們要根據(jù)各個(gè)具體的使用環(huán)境和條件選用最合適的塑料品種。塑料按其應(yīng)用范圍通常分為三類：①通用塑料。主要指聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料等。占塑料總產(chǎn)量的3/4以上，設(shè)計(jì)中廣為應(yīng)用。②工程塑料。指作為結(jié)構(gòu)材料在機(jī)械裝備和工程結(jié)構(gòu)中使用的塑料。常用的品種有聚甲醛、尼龍、聚碳酸酯、聚硯、ABS、聚苯醚、環(huán)氧樹脂等。③其他塑料。即指具有某種特異功能，滿足特需的塑料，如醫(yī)用塑料等。1.通用塑料塑料中，以俗稱“賽璐珞”的塑料應(yīng)用歷史最長。通用塑料基本上都是烯烴類的聚合物。目前應(yīng)用最廣的通用塑料有：1）聚乙烯（PE）聚乙烯為白色或淺色半透明固體，在塑料中相對(duì)密度最小，比水輕。電絕緣性和高頻特性優(yōu)良。相對(duì)于分子質(zhì)量較大，抗拉強(qiáng)度和延伸率也隨之提高。2）聚丙烯（PP）聚丙烯的機(jī)械性能（強(qiáng)度、剛性、硬度等）較聚乙烯好，且絕緣性能（尤其對(duì)高頻電）也好，耐熱性則極好，可達(dá)到150℃時(shí)不變形。在設(shè)計(jì)中可用于各種機(jī)械零件和化工零件，以及需煮沸消毒的醫(yī)療器械和各種容器。3）聚氯乙烯（PVC）聚氯乙烯分軟、硬兩種。軟質(zhì)聚氯乙烯通常用來制作工業(yè)用包裝薄膜，電線電纜的絕緣層和密封件。硬聚氯乙烯的抗拉強(qiáng)度，耐水、耐油性能和化學(xué)穩(wěn)定性都很好，常用來制作化工部件。由于聚氯乙烯有毒，因此用聚氯乙制造的零部件不能接觸食品。尤其是用軟聚氯乙烯制作的工業(yè)包裝薄膜，千萬不能用于存裝食品。發(fā)泡后制成聚氯乙烯泡沫塑料，質(zhì)輕、隔熱、隔音、防振，可用作各種襯墊、保溫隔振材料。4）聚苯乙烯（PS）聚苯乙烯的絕緣性能（尤其是高頻絕緣）、耐腐蝕性（但不耐有機(jī)溶劑，如汽油、苯）都好，不吸水，常溫下較透明（常溫下僅次于有機(jī)玻璃），耐沖擊。聚苯乙烯發(fā)泡后（俗稱聚苯或苯板）的相對(duì)密度僅有0.033t/m3，為水的1/30，是隔聲、包裝和打撈方面應(yīng)用的絕好材料。尤其是在包裝方面有廣泛的應(yīng)用。目前家電、儀器設(shè)備的包裝箱內(nèi)，多數(shù)都用成型的發(fā)泡聚苯乙烯或散裝發(fā)泡聚苯乙烯小塊來隔振，以保證產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中的安全。5）酚醛（PE）酚醛是應(yīng)用歷史很長的一種塑料。俗稱電木（因其多用木粉作填料而得名）。它的電絕緣性能很好，也能耐相當(dāng)?shù)母邷?，價(jià)格又比較便宜，因此長久以來在各種電器上得到廣泛應(yīng)用，尤其是各種普通電器的外殼長久以來一直是酚醛的天下。為了提高強(qiáng)度，在層壓時(shí)加入布層則得到夾布膠木。夾布膠木在強(qiáng)電電器設(shè)備上多用作安裝電器的底板，也可制造耐沖擊的軸承、齒輪和離合器。日常生活中，用夾布膠木制作的梳子也十分常見。2）聚碳酸酯（PC）由于其優(yōu)良的綜合機(jī)械性能（尤其是抗沖擊韌性和尺寸穩(wěn)定性，在所有熱塑料中比較突出）和良好的透明度而被譽(yù)稱為“透明金屬”。與其他熱塑性塑料一樣，可加入玻璃纖維、碳纖維或硼纖維等增強(qiáng)材料而成為增強(qiáng)塑料。聚碳酸酯塑料在機(jī)械、儀表、電訊、交通行業(yè)中應(yīng)用。如齒輪等各種傳動(dòng)零件、耐高壓的各種墊片、墊圈、套管、飛機(jī)駕駛室的風(fēng)擋玻璃等等。4）ABS這是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能。還可以將其中的一或二元鏈接到其他分子的主鏈上，形成ACS、AAS等多種共聚物。ABS不透明，耐熱，耐沖擊，表面硬度高，化學(xué)穩(wěn)定性和電性能良好，易于成型加工，表面還可鍍鉻。ABS在航空工業(yè)，汽車工業(yè)，冷凍器械，電訊和日用品方面都有廣泛應(yīng)用，如汽車儀表板、擋泥板、齒輪、軸承、旅行箱等。3.其他塑料1）氟塑料以聚四氟乙烯（F-4）為代表的氟塑料，具有耐高、低溫，耐腐蝕耐氣候，電絕緣好等一系列的優(yōu)異性能，因而在許多特定的領(lǐng)域具有其他塑料不可替代的應(yīng)用。例如其抗腐蝕性優(yōu)異，可抵御王水等強(qiáng)酸堿，化學(xué)穩(wěn)定性超過玻璃、陶瓷、不銹鋼、金和鉑，因而被稱為“塑料王”。但其缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度不甚高，熱脹冷縮大，且價(jià)格貴。當(dāng)溫度達(dá)到390℃時(shí)分解并放出有毒氣體。故加工時(shí)要注意防護(hù)和嚴(yán)格控制溫度不能用注塑法加工，一般常用冷壓燒結(jié)法成型。由于其優(yōu)異的特殊性能，在特定場(chǎng)合中應(yīng)用很廣泛，如制造人造血管、人工心肺。不粘鍋的“特氟隆”涂層也是一種氟塑料。用于太陽能利用器件中的“泰氟龍”透明薄膜對(duì)紫外光的抗老化性能極佳，且對(duì)太陽光的透過率可達(dá)到95%以上。2）聚砜（PSF）聚砜的特點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度高，可在沖擊強(qiáng)度大的環(huán)境中長期使用。故用于制造汽車護(hù)板、儀表板、風(fēng)扇罩等零部件和印刷電路板。其缺點(diǎn)是對(duì)酮等溶劑不穩(wěn)定，且成型溫度較高（300-350℃）。3）有機(jī)玻璃（PMMA）有機(jī)玻璃是甲基丙烯酸甲酯的俗稱。它的透光性好，對(duì)太陽光的透過率達(dá)99%。其著色性也好，故可制成各種顏色的板材。其缺點(diǎn)是表面硬度不高，易擦傷變毛。另有372塑料，系甲基丙烯酸甲酯與苯乙烯的改性共聚物。在50℃時(shí)不變形，在-40℃時(shí)也不會(huì)凍裂，且沖擊強(qiáng)度高。372塑料有時(shí)也被人俗稱為有機(jī)玻璃，但實(shí)際上它與PMMA不完全相同。4）環(huán)氧樹脂（EP）環(huán)氧樹脂的品種很多。其強(qiáng)度很高，有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性。但價(jià)格貴，且毒性大（某些樹脂和固化劑），故應(yīng)盡量不用。在電子電器工業(yè)中，多用于包裝和封裝。還可以用于制作塑料模具，在單件小批量生產(chǎn)中時(shí)有應(yīng)用。設(shè)計(jì)中，經(jīng)常用該材料制作模型。纖維纖維分為天然纖維與合成纖維，天然纖維主要有纖維素等。合成纖維主要有滌綸（的確良）、錦綸（尼龍）、腈綸（人造毛）、維綸（維尼綸）、丙綸、氯綸、氟綸和芳綸等。合成纖維具有強(qiáng)度高、比重小、耐磨、不霉不腐等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中廣泛用來制作衣料、簾子布等，在交通運(yùn)輸?shù)确矫嬉矎V為應(yīng)用。合成纖維的性能與用途見表2。復(fù)合材料復(fù)合材料是指金屬與金屬、金屬與非金屬或非金屬與非金屬復(fù)合而成的多相體系，即凡是兩種或兩種以上不同化學(xué)性質(zhì)或不同組織結(jié)構(gòu)，以微觀或宏觀的形式組合而成的新材料，均可稱為復(fù)合材料。復(fù)合材料的興起是從1932年玻璃鋼問世開始。復(fù)合材料的性能指標(biāo)大大超過各組成材料性能指標(biāo)的總和，其特點(diǎn)是：比強(qiáng)度和比剛度高、抗疲勞性能好、減振能力強(qiáng)、高溫性能好、斷裂時(shí)的安全性高。復(fù)合材料還可以實(shí)行整體一次成型，從而可減少制品的零部件、緊固體和接頭的數(shù)目，材料的利用率也高。所以復(fù)合材料是工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中前途十分廣闊的應(yīng)用材料，也是21世紀(jì)材料科學(xué)領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展的材料之一。目前，在復(fù)合材料領(lǐng)域尤以纖維復(fù)合較多。在纖維復(fù)合材料中使用的纖維有陶瓷（包括玻璃）纖維、碳纖維、硼纖維和難熔金屬絲。復(fù)合材料的種類見表3無機(jī)物系列—高溫耐熱陶瓷、超硬陶瓷、超高硅光導(dǎo)纖維、高彈性碳素纖維、傳感器用材料、電子材料、耐熱透光材料（氧化鋁）、無機(jī)粘接材料、高溫潤滑材料和原子反應(yīng)堆材料等?？傊鳛樵O(shè)計(jì)用材料，均應(yīng)具有一定物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)（或組織）、表面狀態(tài)、加工性能和耐久性等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)師在研究材料性質(zhì)的同時(shí)，還應(yīng)對(duì)材料給人的感覺加以分析與研究。這些感覺主要包括：材料受光照后對(duì)視覺刺激所產(chǎn)生的表面肌理的視覺感覺；因觸覺而判別材料的厚度、硬度、光滑、粗糙、冷和暖等的觸覺感受；因聽覺的刺激而產(chǎn)生的質(zhì)地、質(zhì)量、形狀、厚薄等聯(lián)想所產(chǎn)生的聽覺感受；因材料的理化作用引起的生理感受進(jìn)而引起的心理反應(yīng)的感受等。材料工業(yè)的發(fā)展對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響金屬系列在鋼中加入各種金屬則制成合金，合金以一種嶄新的形式應(yīng)用于設(shè)計(jì)從而引發(fā)了一聲設(shè)計(jì)革命，其中鋼管椅應(yīng)運(yùn)而生。如圖8所示的是兩款配胡桃木的椅子，若沒有不銹鋼支柱的承托，就會(huì)變?yōu)閭鹘y(tǒng)的家具，而毫無新意。合金可制成各種用品，從煙灰缸、臺(tái)燈到；咖啡壺（如圖9所示），各種品類和式樣使人們生活的世界充滿活力，多姿多彩。如圖10所示的是全不銹鋼的洗手盆，盆底采用彎曲的造型，配合流水，形成圓潤的美感。圖11所示的是全新設(shè)計(jì)的空氣椅，榮獲由德國Hannover頒發(fā)的2002年度IF設(shè)計(jì)銀獎(jiǎng)。其設(shè)計(jì)所標(biāo)榜的是有如氣體般輕盈的椅身，其中的奧秘是創(chuàng)新選用輕盈的鋁金屬，配以新型復(fù)合材料為材質(zhì)的椅背及坐墊，來達(dá)到降低產(chǎn)品重量的效果。鋁合金用于廚房器皿、家具，甚至還廣泛用于機(jī)動(dòng)車制造上。鋁可以鑄、壓、旋，這些工藝最后導(dǎo)致一系列新的產(chǎn)品形式的出現(xiàn)。圖12所示的是荷蘭設(shè)計(jì)師理查·赫頓設(shè)計(jì)的椅子，選用鋁材，外形酷似蜂巢，有儲(chǔ)存的蓋子和循環(huán)式的外形?？蓛?chǔ)存物品，這張椅子的成功設(shè)計(jì)源于一連串的選擇。圖13所示的是以純名制成的極具質(zhì)感的六面方體煙灰缸。設(shè)計(jì)師改變了刻板印象中的煙灰缸概念，其中可用以承載煙灰的一面完成其功能，而周圍的五個(gè)面所顯示的則是它的概念性。運(yùn)用純鋁的材質(zhì)美，更好地闡述了設(shè)計(jì)師在平凡中尋求新意的設(shè)計(jì)理念。圖14所示的是由折曲鋁薄片制成的工具架，架子適合擺放電視影音器材，極具時(shí)代感。塑料系列

著名鬼才設(shè)計(jì)師法國人菲利普·斯塔克設(shè)計(jì)的輕型家具，如圖15所示，運(yùn)用聚酯碳織纖維材質(zhì)，完全一體成型，表面極澄澈純凈，看似輕盈卻非常堅(jiān)固強(qiáng)韌，是21世紀(jì)材質(zhì)科技與新設(shè)計(jì)概念完美結(jié)合的范例。圖16所示的是以復(fù)合材料