现代新型材料在设计中的应用

现代新型材料在设计中的应用探究

摘要

随着社会经济和信息科技的发展，新型材料已逐步成为设计的一个重要元素，对于完善产品的功能和丰富产品的内涵有着重要的作用。在日趋激烈的产业竞争环境中，只有使企业和设计师认识到应用新型材料的重要性、以及新型材料在竞争中发挥的巨大的优势，才能促使企业提升市场竞争力。21世纪是以新型材料为重要基础的知识经济时代，只有掌握了最先进的材料，才能在高技术及产业的发展上占有主动权。

关键词：新型材料设计应用探究

前言

本文从设计的角度对新型材料进行探索，为设计拓宽更加宽广的创作空间。设计是科学技术与人文艺术的有机结合，实现产品的使用功能需要科学技术来支持，落实到材料，就要求材料具有某些特定的物理性能、化学性能等；能够满足人们的生活需求。因此，本文将认真分析新型材料的基本性能，深入了解各种材料的新特性，探讨材料与人之间的对应关系，使新型材料能更好地为设计服务，通过实例分析，总结设计选择新型材料的方法、原则及一般规律，为设计师提供选择、应用新型材料的一般依据。

正文

一、现代新型材料概述

新型材料是高新技术的基础和先导，其本身也能形成很大的高新技术产业，当代高科技的竞争在很大程度上是新材料的发展和竞争，可以说任何高科技的进步都离不开新材料的发展和利用，谁掌握了关键新型材料的核心技术，谁就掌握了21世纪高新技术竞争的主动权，因而，材料科学已被公认为21世纪高科技产业的基石，并与信息技术、能源技术和生物技术一起列为21世纪最重要、最有发展潜力的领域。

新材料满足的条件：①新出现或正在发展中的具有传统材料所不具备的优异性能的材料；②高技术发展需要，具有特殊性能的材料；③由于采用新技术（工艺、装备），使材料性能比原有性能有明显提高，具有特殊性能的材料。

二、现代新型材料分类

同传统材料一样，新型材料也可以从结构组成、功能和应用领域等多种不同角度对其进行分类，不同的分类之间又相互交叉和嵌套。目前，一般按应用领域和当今的研究热点把新型材料分为以下的主要领域「1」：

电子信息材料、新能源材料、纳米材料、先进复合材料、先进陶瓷材料、生态环境材料、新型功能材料（含高温超导材料、磁性材料、金刚石薄膜、功能高分子材料等）、生物医用材料、高性能结构材料、智能材料、新型建筑及化工新材料等。

三、典型新型材料及在设计中的应用

1、电子信息材料

电子信息材料是指在微电子、光电子技术和新型元器件基础产品领域中所用的材料。电子信息材料产品支撑着现代通信、计算机、信息网络技术、微机械智能系统、工业自动化和家电等现代高技术产业。电子信息材料产业的发展规模和技术水平，已经成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标

志，在国民经济中具有重要战略地位，是科技创新和国际竞争最为激烈的材料领域。

（1）电子信息材料主要包括：

单晶硅为代表的半导体微电子材料；激光晶体为代表的光电子材料；介质陶瓷和热敏陶瓷为代表的电子陶瓷材料；钕铁硼（NdFeB）永磁材料为代表的磁性材料；光纤通信材料；磁存储和光盘存储为主的数据存储材料；压电晶体与薄膜材料；贮氢材料和锂离子嵌入材料为代表的绿色电池材料等「2」。

（2）电子信息材料发展的特点：

材料更新快、技术发展快、品种多；功能与容量增长快，性能价格不断改善；可靠性日益提高；小型化、集成化的范围日益增大，集成度不断提高等。

（3）电子信息材料在设计中应用的案例分析：

半导体照明材料即LED，以笔记本产品为例，

采用白光LED作为液晶屏幕的背光源后，LED

背光源以多组排列与底部放置，来代替传统的

CCFL细灯管，在SONY V AIO TX笔记本上，就

使用了40个LED发光元件「3」。

此设计的优势：用LED代替细灯管后，导光板

可以用厚度均匀且可以把整体的厚度降低；对于

笔记本等移动型产品而言，使用LED可以提高整

机的使用时间，从而提升了移动时的持久性。2、新能源材料

新能源材料包括太阳能、生物质能、核能、风能、地热、海洋能等一次能源以及二次能源中的氢能「4」。新能源则是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技能中所要用到的关键材料。主要包括储氢电极合金材料为代表的镍氢电池材料，嵌锂碳负极和LiCoO2正负为代表的锂离子电池材料、燃料电池材料、Si半导体材料为代表的太阳电池材料以及铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等。(1)新能源的特点：

相对于传统能源，新能源普遍具有污染少、储量大的特点，对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源（特别是化石能源）枯竭问题具有重要意义。同时，由于很多新能源分布均匀，对于解决由能源引发的战争也有着重要的意义。(2)新能源在设计中应用的案例分析：

以太阳能为例：太阳能光电产品通过太阳在光

的作用下，转化为电能的过程，是一种利用高新

技术研制的新能源，是21世纪人类所向往、所追

求的新光源。

太阳能路灯设计分析：①节能，它利用自然光

源，无需消耗电能，而且取之不尽用之不竭；②

环保，符合绿色环保要求，无污染、无辐射、保

护生态；③安全，由于产品部使用交流电，而且采用蓄电池吸收太阳能，通过低压直流电转化为光能，是最安全的电源；④科技含量高，产品的核心装置是智能控制器；⑤产品使用寿命长，安装成本低，维修方便；

3、纳米材料

纳米是一种衡量单位，三维空间中，至少有一维是在纳米级尺寸内的材料被称

为纳米材料，一般小于100nm。在一维空间上为纳米级的材料被称为纳米纤维；在二维空间上为纳米级的材料被称为纳米薄膜；而在三维空间上位纳米级的材料被称为纳米晶材料。

（1）纳米材料的分类：

按形态分为微粒材料、固体材料、薄膜材料；按用途分为结构材料、功能材料，如催化、磁记录、传感材料等。按化学组成分为无机纳米材料、有机高分子纳米材料、无机-有机纳米复合材料。

（2）纳米材料的特性「5」：

纳米微粒：尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应

纳米固体材料：增强、增硬、增韧、奇异磁性、高扩散性、光吸收性等

（3）纳米材料的应用优势

①纳米材料具有催化作用：纳米颗粒的比表面积大、表面反应活性高、表面活性中心多、催化效率高、吸附能力强的优异性质使其在化工催化方面有着重要的应用，如汽车尾气净化催化剂、纳米先进催化材料等；

②纳米材料具有补强增韧的作用：纳米材料的小尺寸效应和宏观量子隧道效应使其产生淤渗作用，可深入到其它颗粒中，与不饱和键的电子云发生作用，进而与材料的大分子相互结合成立体网状，从而大幅度提高材料的强度、韧性、延展性；

③纳米材料具有光吸收作用：纳米微粒的尺寸与光波波长相当或更小导致光吸收显著增强；

④纳米材料具有抗红外线的作用；

⑤纳米材料具有抗菌、抑菌、除臭等方面的作用；

……

（4）纳米材料在设计中应用的案例分析：

图示为Wilson K Factor surge 100网球拍设计，材料

为全新纳米碳纤维结构，特点：特工适应专业及业余

球手的控球感及击球威力更佳，手感及可操纵性提高。

将纳米材料运用到体育用品设计中，不仅对产品的

外观起到新颖美观独特的装饰作用，而且改善了产品

的品质，如强度增加、韧性提高、质量变轻、使网球

拍具有优异的操控性能和高反弹性等，同时使设计本

身变得更简洁、合理、美观，更具时代感。

4、先进陶瓷材料

新型陶瓷是新型无机非金属材料，也成为先进陶瓷、高性能陶瓷、高技术陶瓷、精细陶瓷。它不同于利用黏土等天然原料而制成的传统陶瓷，新型陶瓷除了具有原料是人工合成的、化学成分纯度高，粉体粒度小等特点外，其成形和烧结等制备工艺需严格设计控制。

（1）先进陶瓷材料的特性：

与传统陶瓷相比，因为新型陶瓷的化学成分纯度高，微观结构细微，密度高，一般具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀等特性。除此之外，一些陶瓷材料显示很好的电磁、光学、生物等性能，从而起到了推动现代工业技术发展的重要作用「6」。

（2）先进陶瓷材料在设计中的应用分析：

①美国国防部及其下属部门对先进功能陶瓷的需求非常迫切，与先进陶瓷材