新型材料在工业设计领域中应用研究

新型材料在工业设计领域中应用研究

摘要：新型材料是当前工业设计发展过程中的物质保障，新型材料的产生都会在一定程度上推动工业设计的前进。因此研究新型材料在工业设计领域中的应用有着重要的意义。

关键词：新型材料工业设计数据库

新材料是指新出现的或已在发展中的、具有传统材料所不具备的优异性能或特殊功能的材料。新材料与传统材料之间并没有截然的分界，新材料在传统材料的基础上发展而成，传统材料经过组成、结构、设计和工艺上的改进从而提高材料性能或出现新的性能都可发展成为新材料[1]。工业设计在选择材料时，需要考虑材料的功能性、经济性、环保性等问题，并在设计中积极融入各类新工艺，以便工业设计得以实现进一步发展。

1.新型材料的分类

1.1新型造型结构材料

新型的造型结构材料，主要有新型金属材料、新型高分子材料、新型复合材料、新型玻璃材料以及其他结构的结构材料。

其中，金属材料主要分为两种，分别是保节灵超薄钢片和金属材料。其中的保节灵超薄钢片的灵活性非常强，可以随意的弯曲，而且材料的外观和色彩因为材质是聚合物的关系可以随意更换，这样这种材料的外观就会非常鲜亮和美丽。而金属材料是融合了聚合物塑料和非晶体结构材料，它具有一般金属材料达不到的热稳定性，这样就能够成形的非常容易。新型高分子材料主要是以 Ecoflx 和Ecovio 以及 Prity 等结构材料为主。其中，Ecoflx 材料属于可降解型材料，并且具有良好的弹性以及耐候性，所以经常会被应用到包装等相关领域。Ecovio 材料的质感非常强，其主要原因是结构中含有凝胶剂聚氧酯，所以在外观和形态

变化设计当中是比较容易实现的。新型玻璃材料主要分为三种结构，即纳米金刚

材料和视觉控制玻璃以及超薄玻璃。

1.2新型功能材料

新型功能材料是指具有特殊的电、磁、光、热、声、力、化学和生物性能及

其转化功能，可以实现对信息和能量的感知、计测、显示、控制和转化的非结构

性高新材料。

新型的功能材料，主要有自我修复功能的材料、聚异丙基丙烯酰胺（PNIPAAm）薄膜、记忆玻璃及高性能纳米复合稀土永磁材料。自我修复功能的

材料一种受力后不用借助外来辅助用品就能够实现多次自我修复的合成；疏水性

和亲水性是聚异丙基丙烯酰胺（PNIPAAm）薄膜材料表面所具有的两种重要特性，材料的浸润性差异可通过引入粗糙度来放大，将刺激响应性材料与合适的表面粗

糙度结合，就可以增强浸润性的响应性变化，实现超亲水与超疏水之间的浸润性

智能可逆转变；记忆玻璃的长余辉发光是指白天在太阳光、日光灯或其它高能电

磁照射下将能量储存，晚上再把所储能量释放出来的发光方式，利用短波紫外线、X射线或Y射线进行高能电磁辐射，玻璃就能自动把文字、图像“默记”住，之

后将其保存在暗背景中，当受到日光等长波光源照射后，贮存了信息的玻璃就能

将文字和图像再现出来；高性能纳米复合稀土永磁材料的研究及应用在我国尚处

于发展阶段，具有很大的发展潜力。

2.具有自我修复功能材料的应用

具有自我修复功能的形状记忆合金（SMA）可以记住自己在奥氏体状态下的

形状，即如果在低温马氏体状态下产生的一定量的塑性变形，通过加热发生逆相

变的过程中（由马氏体相向奥氏体相转变），这些塑性变形（马氏相变）会部分

或全部消除，使材料重新恢复到奥氏体状态，这种现象称为形状记忆特性。该特

性可分为 TR-SME 和RE-SME 两类。RE-SME 是指在奥氏体在相变温度以下进行等

温加载，将因引起诱发 A-M 相变而等温卸载后马氏体变体和相变应变仍被保留

下来，通过加热诱发 M-A 相变从而消除加载引起的相变应变并使马氏体变体恢

复为原来的奥氏体；RE-SME 是指由应力诱发马氏体变体重定向产生非弹性应变

经过加热诱发M-A 逆相变从而消除加载引起的非弹性应变。形状记忆合金在奥氏

体状态下，即使不进行加热，在应变超过了屈服点后卸载也能完全回复形变，且

不会在内部产生残余形变，这种现象称为超弹性特性或相变伪弹性特性。与一般

金属材料相反，形状记忆合金的奥氏体刚度大于马氏体刚度，弹性模

量在一定范围内会随着温度的上升而提高，且弹性模量变化的带宽较大，可

调范

围广，这种现象称为变刚度特性。此外，形状记忆合金与普通材料相比还有

许多优点，如疲劳性好，可恢复应变大（6-8%），反应速度在机械控制器中是比

较快的，经合理设计，其反应时间可小于 0.1 秒。

以形状记忆合金作为控温阀为例[3]，通常情况下卫浴产品中选择用来进行温

控的形状记忆合金（SMA）是具有双程记忆效应和全称记忆效应的的形状记忆合金。如卫浴产品中主要利用形状记忆合金弹簧实现温度的精确调控，一方面形状

记忆合金对于温度有较好的敏感度，如果温度发生改变，材料会产生相应的应变，实现弹簧的伸长或收缩，从而推动阀芯进行左右平移，阀芯的平移会改变冷热水

的出水口大小，冷热水的出水量就会发生改变，从而达到新的温度恒定。

具有自我修复功能的材料的关键就在于可以在其中融入复合物基低作为结构

基础，从而使其具有较强的自我恢复能力。因此，这种特性的新型材料主要用于

汽车、飞机等微型芯片工业制造及建筑物抗震等领域[2]。同时，该材料所具备的

自行修复功能，有利于产品使用寿命的增加，能将产品外壳造成的成本耗费显著

降低，既可实现资源紧缺问题的有效缓解，也有利于废弃物处理等环境负担的显

著减少。

3.建立工业设计的材料与工业数据库

为了方便工业设计者选材、用材，增强工业设计材料与工艺教学的效果，促

进设计材料学科更好的发展，对工业设计材料与工艺数据库进行了构建，设计了

数据库的基本结构和使用流程。工业设计和材料和工艺具备不同往常的特殊性，

这不仅要考虑到不同尺寸、形状的材料，也要考虑到材料的外观和性能，所以建