設(shè)計材料及加工工

設(shè)計材料及加工工第1頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日目錄第一章概論第二章設(shè)計材料的分類及特性第三章材料感覺特性的運用第四章材料與環(huán)境第五章產(chǎn)品設(shè)計中材料的選擇與開發(fā)第六章金屬材料及加工工藝第七章塑料及加工工藝第八章木材及加工工藝第九章玻璃及加工工藝第2頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日§第一章概論1.1

設(shè)計與材料

材料是設(shè)計的物質(zhì)基礎(chǔ)和載體。是科學(xué)技術(shù)研究的重要方面。材料代表著時代的生產(chǎn)能力和生活水平。新材料發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用—新型成型加工方法和工藝—產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的變化—產(chǎn)品設(shè)計的飛躍—嶄新的設(shè)計風(fēng)格1.2

產(chǎn)品造型設(shè)計的物質(zhì)基礎(chǔ)產(chǎn)品是由一定的材料經(jīng)過一定的加工工藝構(gòu)成的，產(chǎn)品必須是功能、形態(tài)和材料三要素的和諧統(tǒng)一。材料是用以構(gòu)成產(chǎn)品的造型，是客觀存在的物質(zhì)。工藝是成型工藝、加工工藝和表面處理工藝，是人的認(rèn)識。新的材料帶來新的設(shè)計，帶來新的感受。第3頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日1.3材料設(shè)計1、材料設(shè)計的內(nèi)容2、材料設(shè)計的方式第4頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日3、材料與產(chǎn)品的匹配關(guān)系第5頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日§第二章設(shè)計材料的分類及特性2.1設(shè)計材料的分類

1.按材料的來源分類第一代：天然材料第二代：加工材料第三代：合成材料第四代：復(fù)合材料第五代：智能材料

2.按材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)分類

3.按材料的形態(tài)分類(1)線狀材料(2)板狀材料

第6頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日2.2材料特性的評價

一、材料的固有特性：即材料的物理特性和化學(xué)特性．如力學(xué)性能、熱性能、電磁性能、光學(xué)性能和防腐性能等；

二、材料的派生特性：它是由材料的固有特性派生而來的，即材料的加工特性、材料的感覺特性和經(jīng)濟(jì)特性。這些特性的綜合效應(yīng)從某種角度講決定著產(chǎn)品的基本特點。

2.3材料固有特性一、材料的物理性能1材料的密度2力學(xué)性能①強(qiáng)度②彈性和塑性③脆性和韌性④硬度⑤耐磨性二、材料的化學(xué)性能材料的化學(xué)性能指材料在常溫或高溫時抵抗各種介質(zhì)的化學(xué)或電化學(xué)侵蝕的能力，是衡量材料性能優(yōu)劣的主要質(zhì)量指標(biāo)。它主要包括耐腐蝕性、抗氧化性和耐候性等。

2.4材料的工藝特性第7頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日1.材料的工藝性是指材料適應(yīng)各種工藝處理要求的能力，材料的工藝性包括材料的成型工藝、加工工藝和表面處理工藝。2.它是材料固有特性的綜合反應(yīng)．是決定材料能否進(jìn)行加工或如何進(jìn)行加工的重要因素，它直接關(guān)系到加工效率、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本等。3.材料通過工藝過程成為具有一定形態(tài)、結(jié)構(gòu)、尺寸和表面特征的工業(yè)產(chǎn)品，將設(shè)計方案轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂惺褂煤蛯徝纼r值的實體。一、材料的成型加工

1.造型設(shè)計中，材料在通過加工后，必須能構(gòu)成并且能長期“記憶”住設(shè)計所賦予它的應(yīng)有形態(tài)，從而才能最終成為產(chǎn)品。

2.材料的成型加工性是衡量產(chǎn)品造型材料優(yōu)劣的重要標(biāo)志。產(chǎn)品造型設(shè)計材料必須具有良好的成型加工性能。

3.材料通過成型加工才能成為產(chǎn)品，并體現(xiàn)出設(shè)計者的設(shè)計思想。

4.如果沒有先進(jìn)、合理、可行的工藝手段，多么先進(jìn)的結(jié)構(gòu)和美觀的造型，也只是紙上談兵而實現(xiàn)不了。第8頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日二、材料的表面處理

具體說就是要處理諸如色彩、光澤、紋理、質(zhì)地等直接賦于視覺與觸覺的一切表面造型要素。而這些表面造型要素則會因材料表面性質(zhì)與狀態(tài)的改變而改變。產(chǎn)品表面所需的色彩、光澤、肌理等，除少數(shù)材料所固有的特性外，大多數(shù)是依靠各種表面處理工藝來取得?！斓谌虏牧细杏X特性的運用3.1材料感覺特性的概念1.材料感覺特性又稱材料質(zhì)感，是人的感覺系統(tǒng)因生理刺激對材料作出的反映或由人的知覺系統(tǒng)從材料表面特征得出的信息，是人對材料的生理和心理活動，它建立在生理基礎(chǔ)上，是人們通過感覺器官對材料作出的綜合印象。

觸覺質(zhì)感2.材料感覺特性按人的感覺可分為

視覺質(zhì)感第9頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日

自然質(zhì)感按材料本身的構(gòu)成特性可分為

人為質(zhì)感以人的感覺為依據(jù)選擇材料時，人的感覺對材料的評價乃是關(guān)鍵。1．材料感覺特性的描述第10頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日2．材料感覺特性的測定第11頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日材料感覺特性的概念影響因素

1．材料種類材料的感覺特性與材料本身的組成和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，不同的材料呈現(xiàn)著不同的感覺特性。2．材料成型加工工藝和表面處理工藝材料的感覺特性除與材料本身固有的屬性有關(guān)外，還與材料的成型加工工藝、表面處處理工藝有關(guān)，常表現(xiàn)為同質(zhì)異感和異質(zhì)同感。

3．其他因素材料感覺特性在很大程度上受時代的制約，與時代的科技水平、審美標(biāo)準(zhǔn)、流行時尚等因素有著直接的關(guān)系。3.2質(zhì)感設(shè)計

質(zhì)感設(shè)計的形式美法則：1、調(diào)和與對比法則2、主從法則

質(zhì)感設(shè)計的主要作用：

1、良好的觸覺質(zhì)感設(shè)計，可以提高產(chǎn)品的適用性2、良好的視覺質(zhì)感設(shè)計，可以提高工業(yè)產(chǎn)品整體設(shè)計的宜人性。3、塑造產(chǎn)品的精神品位4、達(dá)到產(chǎn)品的多樣性和經(jīng)濟(jì)性5、創(chuàng)造全新的產(chǎn)品風(fēng)格第12頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日3.3材料的抽象表達(dá)：任何材料都充滿了靈性，任何材料都在靜默中表達(dá)自己。無論人們是有意還是無意，都在不知不覺中感受到了它，并接納了它。面對一種材料，人們往往會產(chǎn)生種種感覺，種種感覺的擴(kuò)張，種種感覺與感覺的聯(lián)系，就會產(chǎn)生將材料做這樣或那樣處理的種種有意或無意的設(shè)計行為，這種設(shè)計行為就稱為材料的抽象表達(dá)。第13頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日3.4材料的美感

色彩美

材料是色彩的載體，色彩不可能游離材料而存在。色彩有襯托材料質(zhì)感的作用。

材料的色彩可分為材料的固有色彩(材料的自然色彩)和材料的人為色彩。

材料的固有色彩或材料的自然色彩是產(chǎn)品設(shè)計中的重要因素，設(shè)計中必須充分發(fā)揮材料固有色彩的美感屬性，而不能削弱和影響材料色彩美感功能的發(fā)揮，應(yīng)運用對比、點綴等手法去加強(qiáng)材料固有色彩的美感功能，豐富其表現(xiàn)力。肌理美

肌理是由天然材料自身的組織結(jié)構(gòu)或人工材料的人為組織設(shè)計而形成的，在視覺或觸覺上可感受到的一種表面材質(zhì)效果。它是產(chǎn)品造型美構(gòu)成的重要要素，在產(chǎn)品造型中具有極大的藝術(shù)表現(xiàn)力。光澤美

1.透光材料透光材料受光后能被光線直接透射，呈透明或半透狀第14頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日

2.反光材料反光材料受光后按反光特征不同分為定向反光材料和漫反光材料。質(zhì)地美

材料的質(zhì)地美是材料本身的固有特征所引起的一種賞心悅目的心理綜合感受，具有較強(qiáng)的感情色彩。質(zhì)地是與任何材料有關(guān)的造型要素，它更具有材料自身的固有品格，一般分為天然質(zhì)也與人工質(zhì)地形態(tài)美

1、線材的美感2、片材的美感3．塊材的美感4．綜合形態(tài)的材料美感§第四章材料與環(huán)境4.1環(huán)境意識

環(huán)境意識作為一種現(xiàn)代意識，已引起了人們的普遍關(guān)注和國際社會的重視。隨著世界性的日新月異的生活方式與突飛猛進(jìn)的生產(chǎn)方式的不斷演進(jìn)，全球資源無節(jié)制的利用與消耗，產(chǎn)生的廢棄物不斷堆積，對地球環(huán)境的破壞越來越嚴(yán)重。第15頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日

1.現(xiàn)實要求人類從節(jié)約資源和能源、保護(hù)環(huán)境和社會可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，重新評價以往研究、開發(fā)、生產(chǎn)和使用材料的活動；2.改變單純追求高性能、高附加值的材料而忽視生存環(huán)境惡化的做法；探索發(fā)展既有良好性能或功能，又對資源和能源消耗較低，并且與環(huán)境協(xié)調(diào)較好的材料及制品。4.2綠色設(shè)計

綠色設(shè)計的基本思想就是維護(hù)地球綠色生態(tài)環(huán)境的設(shè)計，就是在設(shè)計階段將環(huán)境因素和預(yù)防污染的措施納入產(chǎn)品設(shè)計之中，將環(huán)境性能作為產(chǎn)品的設(shè)計目標(biāo)和出發(fā)點，力求產(chǎn)品對環(huán)境的影響最小。第16頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日綠色設(shè)計要求設(shè)計師放棄那種以產(chǎn)品在外觀上標(biāo)新立異為宗旨的習(xí)慣，而將設(shè)計變革的中心真正放到功能的創(chuàng)新、材料與工藝的創(chuàng)新、產(chǎn)品環(huán)境親和性的創(chuàng)新上，以一種更為負(fù)責(zé)的態(tài)度與意識去創(chuàng)造最新的產(chǎn)品形態(tài)，用更科學(xué)合理的造型結(jié)構(gòu)使產(chǎn)品真正做到物盡其材、材盡其用，并且在不犧牲產(chǎn)品使用性能的舒適與完美的前提下，盡可能地延長使用周期。1綠色設(shè)計的基本特征綠色設(shè)計是指在產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)以產(chǎn)品環(huán)境屬性為主要設(shè)計目標(biāo)，著重考慮產(chǎn)品的可拆卸性、可回收性、可維護(hù)性、可重復(fù)利用性等功能目標(biāo)。

1.環(huán)境協(xié)調(diào)性2.價值創(chuàng)造性3.功能全程性2綠色設(shè)計的基本原則6R原則：研究（Research）、保護(hù)(Reserve)、減量化(Reduce)、回收(Recycling)、重復(fù)使用(Reuse)和再生原則(Regeneration).3產(chǎn)品設(shè)計的綠色觀念在產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域，綠色設(shè)計已成為可持續(xù)發(fā)展理論具體化的新思潮與新方法。產(chǎn)品綠色設(shè)計的目的，就是要克服傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計的不第17頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日足，使所設(shè)計的產(chǎn)品既能滿足產(chǎn)品功能的要求，又能滿足適應(yīng)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展需要的要求，如表4—1所示。產(chǎn)品設(shè)計的綠色觀念由四個層次組成。第一層為目標(biāo)層，以設(shè)計出綠色產(chǎn)品為綠色設(shè)計的總目標(biāo)；第18頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日第二層為內(nèi)容層，包括綠色產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計、環(huán)境性能設(shè)計、材料選擇和資源性能的設(shè)計；第三層為主要階段層，即實現(xiàn)綠色設(shè)計內(nèi)容所考慮的主要過程，包括產(chǎn)品生產(chǎn)過程、使用過程和回收處理過程等產(chǎn)品生命周期各階段；第四層為設(shè)計因素層，即綠色設(shè)計過程應(yīng)考慮的主要因素，包括時間、成本、材料、能量和環(huán)境影響等。

在綠色設(shè)計的觀念里，設(shè)計師有責(zé)任要為人類考慮產(chǎn)品對人類生活環(huán)境的影響。設(shè)計師應(yīng)考慮以下幾方面：

①安全性：設(shè)計不能危及使用者的人身安全以及正常的生態(tài)秩序，產(chǎn)品的使用要充分考慮到對人的安全性和對環(huán)境的無污染性。

②節(jié)能性：未來的設(shè)計應(yīng)以減少用料或使用可再生的材料為基礎(chǔ)，加強(qiáng)材料、能源和其他資源的使用效率，提高產(chǎn)品效能，延長產(chǎn)品的生命周期，降低產(chǎn)品的淘汰更換率。

③生態(tài)性：應(yīng)考慮到設(shè)計對環(huán)境保護(hù)所起到的重要意義，努力避免因設(shè)計不當(dāng)和選材的失誤而造成的環(huán)境污染與公害。第19頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日

④社會性：設(shè)計是時代文化的一種表征，任何設(shè)計都應(yīng)考慮到對社會模式、文化價值觀、倫理道德及精神領(lǐng)域等諸方面的影響。4綠色設(shè)計的發(fā)展方向綠色設(shè)計強(qiáng)調(diào)對資源與能源的有效利用，提倡為解決廢品而設(shè)計。其發(fā)展的方向有以下幾方面：1．綠色產(chǎn)品的設(shè)計2．綠色包裝設(shè)計3．綠色能源的開發(fā)4．創(chuàng)造有生命的材科4.3綠色材料綠色材料是綠色設(shè)計的基礎(chǔ)，綠色設(shè)計首先要選擇綠色材料，大力研究和發(fā)展綠色材料必然有助于綠色產(chǎn)品的開發(fā)和推廣。1綠色材料的主要內(nèi)涵綠色材料是指具有良好使用性能，對資源和能源消耗少，對生態(tài)環(huán)境污染小，可再生利用率或可降解循環(huán)利用率高，在材料的制備、使用、廢棄及到再生循環(huán)利用的整個過程中，都與環(huán)境協(xié)調(diào)共存的材料。第20頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日一般來說，綠色材料應(yīng)具有三個明顯特征：①先進(jìn)性：發(fā)揮材料的優(yōu)異性能，為人類開拓更廣闊的活動范圍和環(huán)境；②環(huán)境協(xié)調(diào)性：減輕地球環(huán)境的負(fù)擔(dān)，提高資源利用率，對枯竭性資源的完全循環(huán)利用，使人類的活動范圍同外部環(huán)境盡可能協(xié)調(diào)；③舒適性：使人們樂于接受和使用，使活動范圍中的人類生活環(huán)境更加繁榮、舒適。2典型的綠色材料1生物降解材料2循環(huán)與再生材料3凈化材料4綠色建筑材料5綠色能源材科

3綠色材料的評價方法開展對材料或產(chǎn)品及其生產(chǎn)、使用直至廢棄生命同期或環(huán)境協(xié)調(diào)性的評估研究，是改造或者淘汰某一材料、產(chǎn)品或生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)性工作。通過對生命同期評價方法的示范性研究，形成材料開發(fā)、應(yīng)用、廢棄到再生循環(huán)整個生命周期與生態(tài)環(huán)境間的相互作用和相互制約的理論，制定材料的環(huán)境評估標(biāo)準(zhǔn)。第21頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日4.4材料選擇對環(huán)境保護(hù)的考慮隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展規(guī)律，有更多的各類材料被大量用于工業(yè)產(chǎn)品中，這是工業(yè)設(shè)計師造福人類的一大業(yè)績。但是，一切事物往往有其反面，各類工業(yè)材料的大量使用．使人類居住的環(huán)境遭到了日益嚴(yán)重的污染，自然資源尤其是非再生資源也遭到濫用與破壞。①選用適合產(chǎn)品使用方式的材料，對各種材料的種類、使用量和使用條件等都加以嚴(yán)格的限制。提高產(chǎn)品效能，延長產(chǎn)品生命周期，減低產(chǎn)品的淘汰率。②減少使用材料對環(huán)境的破壞和污染，避免使用有毒、有害成分的原料。③材料使用單純化、少量化，盡量避免多種不同材料的混合使用，限制產(chǎn)品中所使用材料種類。④盡量選用可回收再生或重復(fù)使用的材料，避免拋棄式的設(shè)計，提倡易拆卸的結(jié)構(gòu)，標(biāo)明部件中所使用的材料名稱，明確標(biāo)示回收標(biāo)志，使消費者能明確了解回收的材料類別，進(jìn)行垃圾分類，以便回收再利用。

⑤選用廢棄后能自然分解并為自然界吸收的材料。第22頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日⑥減少不必要的表面裝飾，盡量選用表面不加任何涂飾、鍍覆、貼覆的原材料，便于回收處理和再利用的自的。4.5影響材料選擇的環(huán)境因素由于產(chǎn)品總是在一定的環(huán)境中運行和使用，產(chǎn)品的材料也必受到環(huán)境的影響。因此，在材料的選擇中必須對產(chǎn)品未來使用環(huán)境中可能存在的影響因素作必要的考慮。一般講，材料選擇的環(huán)境因素可包括以下幾個方面：(1)沖擊與振動(2)溫度與濕度(3)人為破壞(4)火災(zāi)危官(5)生物危官(6)污損(7)氣候影響(8)噪聲§第五章產(chǎn)品設(shè)計中材料的選擇與開發(fā)

5.1設(shè)計材料的選用

1選擇原則設(shè)計是一種復(fù)雜的行為，它涉及設(shè)計者感性與理性的判斷。與設(shè)計的其它方面相比，材料的選擇是最基本的，它提供了設(shè)計的起點。材料選擇的適當(dāng)與否，對產(chǎn)品內(nèi)在和外觀質(zhì)量影響很大。

(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、民族第23頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日風(fēng)格時代特征及區(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。

(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，優(yōu)先選擇資源豐富、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)計提供更廣闊的前提，滿足產(chǎn)品設(shè)計的要求。2影響因素

(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(jī)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(jī)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王要問題。

(3)外觀：產(chǎn)品的外觀在一定程度上受其可見表面的影響，并受材料所能允許的制造結(jié)形式的影響，因此，外觀也是材料選擇應(yīng)考慮的一個重要因素。第24頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日

(4)安全性：安全是最基本的因素。材料的選擇應(yīng)按照有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)選用，并充分考慮各種可預(yù)見的危險。

(5)控制件：控制件對材料的選擇也有其特殊的需求。例如，操縱鍵盤的材料應(yīng)具有恰當(dāng)?shù)慕佑|摩擦性和沖擊回彈性，以保證可靠操作和手感舒適；用作控制面板的材料應(yīng)選擇反射率較低并易于在其表面形成圖樣符號或易于貼附圖樣符號的材料制作，以減少眩光和便于指示控制動作。

(6)抗腐蝕性：抗腐蝕性是材料選擇的另一個重要準(zhǔn)則，因為它影響著產(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。5.2材料工程的發(fā)展隨著人類文明的進(jìn)步，面對人類需求在質(zhì)和量方面的不斷增長，對材料品種和性能的要求越來越高，材料科學(xué)與工程領(lǐng)域發(fā)生著日新月異的變化，主要特征體現(xiàn)在以下幾方面。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(qiáng)大推力。例第25頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日如，材料低維化；材料梯度化；材料復(fù)合化；材料仿生化；材料智能化。

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。例如，在微重力條件下制備超純晶體材料、特殊自潤滑材料、優(yōu)良磁性材料和超導(dǎo)材料等；

③強(qiáng)烈依賴其它高新技術(shù)，材料領(lǐng)域成為其它高新技術(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、深度和廣的關(guān)鍵因素。第26頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日5.3設(shè)計材料的開發(fā)滿足人類文明的需求是材料研制和開發(fā)的出發(fā)點和回歸點，出發(fā)點和回歸點的重合是通過若干個中間環(huán)節(jié)而實現(xiàn)的。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。1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(jī)能(光、電、第27頁，共34頁，2023年，2月20日，星期日聲、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(qiáng)、超硬、耐高溫等)的一類材料。新材料發(fā)