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现代新材料在产品设计中的应用研究 摘要 在产品设计中，新材料作为组成产品性能的一个重要元素，对于完善产品的功能和丰 富产品的内涵有着重要的作用。随着社会经济和信息科技的发展，以及产业面临日益竞争 的经营环境，唯有使企业与设计师意识到应用新材料与竞争优势的相互关系，方可促使企 业重视发挥材料不同层次上的特征和趋势发展的重要角色。新材料运用的发展确实有助于 传统产业提升市场的竞争力。由于人们对材料的真实性和感知特性的要求越来越高，产品 设计中选用恰当的新材料的要求也越来越苛刻，同时对现有材料的性能的提升和改善也十 分关键。目前，设计师对新材料的选用比较盲目，缺乏一个正确的参考，很多设计师对新 材料的选用仍然停留在旧有的经验选材阶段，这就很大程度上限制了设计师的选材思路。 本文在新材料的选择方法研究上，引入了“需求 这一概念。借助于需求，我们可以将产 品世界与材料世界这两个领域连结起来，然后通过需求匹配的方式来进行产品设计创意设 计。 如何运用需求理论分析的方法在材料与产品之间建立一种需求关系的匹配，对新材料 性能和产品的功能需求进行合理地描述，并在研究方法的基础上建立新材料设计库是本论 文研究过程中的难点，同时也是本论文的一大特色，区别于以往对材料选择方法与材料库 研究。 关键词：新材料；产品设计：需求；需求匹配 r e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o n o fn e w 丛t e r 【a l s i np r o d u c td e s i g n a b s t r a c t i nt h ep r o d u c td e s i g n ，a so n ei m p o r t a n te l e m e n tt of o r mt h ep e r f o r m a n c eo fp r o d u c t ，n e w m a t e r i a lp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ef o ri m p r o v i n gt h ef e a t u r e sa n dt h ec o n t e n to fp r o d u c t w h i l et h e s o c i o e c o n o m i ca n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yh a v eb e i n gd e v e l o p e d ，o u ri n d u s t r yf a c e sam o r e c o m p e t i t i v eb u s i n e s se n v i r o n m e n t ，o n l yt h ee n t e r p r i s e sa n dd e s i g n e r sr e a l i z et h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ea p p l i c a t i o no fn e wm a t e r i a la n dc o m p e t i t i v ea d v a n t a g e ，c a nt h ee n t e r p r i s er e a l i z et o g e ti ng o o du s eo fd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so fm a t e r i a la n di t sd e v e l o p m e n tt r e n d t h e d e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o no fn e wm a t e r i a ld o e sh e l pt h et r a d i t i o n a li n d u s t r yt ou p g r a d et h e m a r k e tc o m p e t i t i v e n e s s a st h ed e m a n df o ra u t h e n t i c i t ya n dp e r c e p t i o no ft h em a t e r i a lb e c o m e s m o r ea n dm o r es t r i c t ，i t sh a r d e ra n dh a r d e rt oc h o o s et h ea p p r o p r i a t en e wm a t e r i a l ，a n di t sa l s o v e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v ea n dd e v e l o pt h ep e r f o r m a n c eo fe x i s t i n gm a t e r i a l s a tp r e s e n t ，t h e d e s i g n e r sa l ev e r yb l i n dt os e l e c tn e wm a t e r i a l t h e r e sal a c ko fc o r r e c tr e f e r e n c e m a n y d e s i g n e r ss t i l lr e m a i ni nt h et r a d i t i o n a le x p e r i e n c e - s e l e c t i o np e r i o dd u r i n gc h o o s i n gn e wm a t e r i a l ， w h i c hl i m i t st h ed e s i g n e r ss e l e c t i o ni d e a sg r e a t l y i nt h i sp a p e r , t h ec o n c e p to f ”d e m a n d i su s e d t or e s e a r c ht h es e l e c t i o no fn e wm a t e r i a l w i t hd e m a n d ，w ec a nc o n n e c tt h ep r o d u c tw o r l dw i t h m a t e r i a lw o r l d ，a n dt h e nt od e s i g nc r e a t i v e l yb yt h ed e m a n d m a t c h i n gm e t h o d h o wt oa p p l yt h ed e m a n dt h e o r ya n a l y s i sm e t h o da n dt oc r e a t ed e m a n dr e l a t i o n s h i p b e t w e e nm a t e r i a la n dp r o d u c t ，h o wt od e s c r i b er e a s o n a b l yf o rt h ef u n c t i o no ft h ep e r f o r m a n c eo f n e wm a t e r i a la n dt h ef u n c t i o no ft h ep r o d u c t ，a n dt h ee s t a b l i s hn e wm a t e r i a ld e s i g ns t o r a g eb a s e d o nt h er e s e a r c hm e t h o da r ed i f f i c u l t i e sd u r i n gt h er e s e a r c hp e r i o do ft h i sa r t i c l e ，b u tt h e ya l ea l s o am a j o rf e a t u r eo ft h i sp a p e r , w h i c ha r ed i f f e r e n tf r o mt h ep a s tm a t e r i a ls e l e c t i o nm e t h o da n d m a t e r i a ll i b r a r yr e s e a r c h k e yw o r d s ：n e wm a t e r i a l ；p r o d u c td e s i g n ；d e m a n d ；d e m a n dm a t c h u 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导一卜独立进行研究工作所取得的成果，论文中 有关资料和数据是实事求是的。除文中已经注明引川的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：膨柳缟 同期： 7 年 学位论文版权使用授权书 j 2 月7 孑日 学位论文作者完全了解北京服装学院有关保留和使川学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属北京服装学院。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版，允许学位论文被奄阅、借阅和复印；学校可以将学位论文的全部或部分内容公开或 编入有关数据库进行检索，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书。 虢膨字即归嗍砷即月埒日 刷币签轹名 1 日期：洳t ，7 年a 月2 乡日 北京服装学院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 在人类进化的漫漫长河中，材料的开发、使用和完善始终贯穿其中，材料早己成为人 类赖以生存、改善生活的不可或缺的重要部分。今天，人类在经历了石器时代、陶器时代、 铜器时代和铁器时代后，步入了人工合成材料时代。这个时代是新材料和与之相配合的新 工艺不断涌现并广泛使用的时代，这个时代使得材质在作为产品设计载体与关键形式语言 的同时，材料的品种越来越多，人们在设计选材中面临的选择也越来越多。另外由于材料 和结构之间存在比较确定的关系，而结构和功能之间却是一种不确定的关系，从而材料与 功能之间也具有不确定的关系( 如图1 - 1 ) 。换句话说，就是为了实现同一功能，我们可以 使用多种材料，而每种材料都可以形成合理结构而完成所要达到的功能，从而产生相应的 造型形式，更重要的是为人们提供了视觉与触觉上的盛宴，给予人们美的享受。 不确定 t t t 一 t 确定不确定 图1 - 1 材辩、结构和功能三者之间的关系 在产品设计阶段，。材料是结构形式和功能的物质载体一i l l ，且不依赖于人的意识而 存在的物质，它是产品设计的物质基础。因而，在设计过程中，选用恰当的材料成为设计 成败的重要因素，对设计概念转化为产品实物起着关键的作用。随着科学技术的发展，新 的材料不断地被开发、被应用，这对产品造型设计有着极大的推动作用。每一种新材料的 发现和应用，都会产生与之对应的成型方法和加工工艺，从而导致产品结构发生着巨大的 变化，给产品设计带来新的飞跃，形成新的设计风格，同时也给产品造型设计提出更高的 要求。因此，设计师应重视对新材料的探索，掌握它们的特性，了解它们的优缺点，以求 在设计中更好地发挥不同材料的不同特性，达到最佳的设计效果。 第1 章绪论 1 2 研究目的与意义 1 2 1 研究目的 目前对新材料的研究主要是从材料学的角度进行研究，对产品造型材料的研究主要针 对常用的普通材料，而对新材料与产品造型设计之间关系的系统性研究则比较少。本文从 产品设计的角度对目前的新材料进行分析，归纳整理分析现有新材料在产品设计领域的应 用发展状况，探讨新材料在产品设计中的应用原则和方法。 希望本文能为产品设计师提供更广阔的设计思路。目的在于通过使用所论述的原则达 到所选材料能“物尽其用”，提升产品的市场竞争力。 1 2 2 研究意义 伴随着科技的发展，人类对自然的不断探索，科学、技术为设计师提供了更加丰富的 设计新材料，这些新颖的材料，为设计师提供了一个广阔的创作平台，也给设计师提出了 更高的要求：要创造符合时代步伐的设计作品，就必须在掌握现代设计观念和设计手段的 前提下，充分认识新材料的基本性能和特性，这种探索与应用新材料的能力是设计师必须 的能力之一。 本文从产品设计的角度，对新材料进行探索，为产品设计开拓更加宽广的创作空间。 产品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， 落实到选材，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 人的之间的对应关系，使新材料能更好地为设计服务；最后通过实例分析，总结产品设计 选择新材料的方法、原则及一般规律，为设计师提供选择、应用新材料的一般依据。 1 3 研究动态 1 3 1 新材料科学的研究现状及发展趋势 新材料作为高新技术的基础和先导，应用范围极其广泛，它同信息技术、生物技术一 起成为二十一世纪最重要和最具发展潜力的领域。同传统材料一样，新材料可以从结构组 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材料分为以下的主要领域【2 卅： 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 2 北京服装学院硕十学位论文 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。 l 、电子信息材料 目前国内外对电子信息材料【5 1 的研究主要集中在以下3 个领域： ( 1 ) 微电子、光电子材料；( 2 ) 光电子材料；( 3 ) 新型元器件材料 电子信息材料的总体发展趋势有三个方向： ( 1 ) 集成电路和半导体器件用材料由单片集成向系统集成发展。微电子技术发展的 主要途径是通过不断缩小器件的特征尺寸，增加芯片面积以提高集成度和信息处理速度， 由单片集成向系统集成发展。 ( 2 ) 光电子材料向纳米结构、非均值、非线性和非平衡态发展。光电集成将是2 1 世 纪光电子技术发展的一个重要方向。光电子材料是发展光电信息技术的先导和基础。材料 尺度逐步低维化一由体材料向薄层、超薄层和纳米结构材料的方向发展，材料系统由均质 到非均质、工作特性由线性向非线性，由平衡态向非平衡态发展是其最明显的特征。发展 重点将主要集中在激光材料、红外探测器材料、液晶显示材料、高亮度发光二极管材料、 光纤材料。 ( 3 ) 新型电子元器件用材料主要向小型化、片式化方向发展。磁性材料、电子陶瓷 材料、压电晶体管材料、绿色电池和材料、信息传感材料和高性能封装材料等将成为发展 的重点。 2 、新能源材料 新能源材料【6 】则是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键 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l i c 0 0 2 正极为 代表的锂离子电池材料、燃料电池材料、s i 半导体材料为代表的太阳能电池材料以及铀、 氘、氚为代表的反应堆核能材料等。 当前的研究热点和技术前沿包括高能储氢材料、聚合物电池材料、中温固体氧化物燃 料电池电解质材料、多晶薄膜太阳能电池材料等。 俄亥俄州立大学的化学家们以及他们的同事利用导电塑料与含有钼和钛金属材料，制 备出了一种新的杂化材料。该新材料是第一种能够一次吸收可见光中包含的所有能量的材 料。 韩国汉阳大学化学系教授曹在弼( 译名) 领导的研究小组近日成功开发出一种三维多 孔硅阴极材料，采用该材料能够将锂电池的容量提高到目前的8 倍以上，充放电效率可 提高n 9 0 以上【7 1 。 3 第l 章绪论 3 、纳米材料 纳米材料【8 】的概念形成于8 0 年代中期，由于纳米材料会表现出特异的光、电、磁、热、 力学、机械等性能，纳米技术迅速渗透到材料的各个领域，成为当前世界科学研究的热点。 世界各国对纳米技术的发展都非常重视。美国国家基金委员会( n s f ) 1 9 9 8 年把纳米 功能材料的合成与应用作为重要基础研究项目向全国科技界招标；美国d a r p a ( 国家先进 技术研究部) 的几个研究计划罩也把纳米科技作为重要研究对象；r 本近些年制定了各种 计划用于纳米科技的研究。如o g a l a 计划、e r a t o 计划和量子功能器件的基本原理和器件利 用的研究计划；德国科研技术部帮助联邦政府制定了1 9 9 5 年n 2 0 1 0 年1 5 年发展纳米科技的 计划【9 】。 当前的研究热点和技术前沿包括：以碳纳米管为代表的纳米组装材料；纳米陶瓷和纳 米复合材料等高性能纳米结构材料；纳米涂层材料的设计与合成；单电子晶体管、纳米激 光器和纳米开关等纳米电子器件的研制、c 6 0 超高密度信息存贮材料等。 国家纳米科学中心、中国科学院过程工程研究所及中国电力科学研究院合作研制的 “新型电力防污闪纳米复合室温硫化硅橡胶( r t v ) 材料”。 耐老化性能、使用寿命、电气 性能、力学性能等相比以往的p t v 材料都有很大提甜1 0 】。 4 、先进复合材料 先进复合材料【l l 】近期发展趋势主要有三个方面一是其应用领域同趋多元化；二是低成 本设计与制造技术是重要发展趋势三是回收与循环利用将成为新的产业。 先进复合材料在航空航天领域的应用已有很长时间，其他领域的应用一直只占较低 的比例。近年来在体育休闲领域、工业领域如基础设施、交通运输、能源和石油等领域的 应用呈不断上升趋势。可以说先进复合材料的应用呈现多元化的趋势。 a 3 8 0 客机最大载客量达8 4 0 人，是世界上最大型的民用客机。该机大量采用复合材料 并迸一步改进了气动性能，是迄今为止燃油效率最高和环保性能最佳的民航客机。空中客 车公司在使用复合材料方面一直走在业界前面，a 3 8 0 也体现了这一创新性传统。飞机约2 5 由复合材料制造，其中2 2 为碳纤维增强塑料( c f r p ) ，这种材料在使用中不会因疲劳或腐 蚀受损。3 为首次用于民用飞机的g l a r e 纤维一金属板。这是一种铝材和玻璃纤维交替粘 合的层制材料。a 3 8 0 还首次采用了复合材料制成的中央翼盒，这一部件是连接机翼与机身 的非常重要的主体结构。此外，a 3 8 0 还首次在后压力舱后部的后机身采用了复合材料【1 2 】。 未来的功能复合材料比重将超过结构复合材料，成为复合材料发展的主流。 4 北京服装学院硕十学位论文 未来复合材料的研究方向主要集中在纳米复合材料、仿生复合材料、和发展多功能、 机敏、智然复合材料等领域。 5 、先进陶瓷材料 先进陶瓷材料【”l 一般分为结构陶瓷、陶瓷基复合材料和功能陶瓷三类。大部分功能陶 瓷在电子工业中应用十分广泛，通常也称为电子陶瓷材料。如用于制造芯片的陶瓷绝缘材 料、陶瓷基板材料、陶瓷封装材料以及用于制造电子器件的电容器陶瓷、压电陶瓷、铁氧 体磁性材料等。 当前的研究热点包括陶瓷材料的强韧化技术、纳米陶瓷材料的制备合成技术、先进结 构陶瓷材料体系的设计以及电子陶瓷材料的高匀、超细技术。 发达国家非常重视先进陶瓷材料的研发，美国、欧盟对先进陶瓷在军事、航空航天等 领域的应用兴趣浓厚；同本在先进陶瓷材料的产业化方面占据世界领先地位。 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，与先进陶瓷材料研发公司 的合作非常活跃。2 0 0 5 年2 月，c e r a d y n e 公司获得5 3 0 万美元的订单为其用于保护一些军队 要人的陶瓷装甲防御系统。 日本n gk 绝缘体公司发明了一种沸石膜，能够用作分子筛，具有纳米级的空洞，利用 该分子筛，n gk 已经成功从甲烷和二氧化碳的混合气体中分离出了二氧化碳。2 0 0 5 年4 月， 同本东北大学多元科学技术研究所与宇部兴产公司共同研发出下一代耐热结构材料，具有 在1 5 0 0 高温下也能承受1 4 0 0 m p a 压力的特点，作为汽车和飞机等的耐热零部件，将有广 阔的使用前景。 6 、生态环境材料 生态环境材料是在人类认识到生态环境保护的重要战略意义和世界各国纷纷走可 持续发展道路的背景下提出来的，是国内外材料科学与工程研究发展的必然趋势。一般认 为生态环境材料是具有满意的使用性能同时又被赋予优异的环境协调性的材料。 这类材料的特点是消耗的资源和能源少，对生态和环境污染小，再生利用率高，而且 从材料制造、使用、废弃直到再生循环利用的整个寿命过程，都与生态环境相协调。主要 包括：环境相容材料，如纯天然材料( 木材、石材等) 、仿生物材料( 人工骨、人工器脏 等) 、绿色包装材料( 绿色包装袋、包装容器) 、生态建材( 无毒装饰材料等) ；环境降 解材料( 生物降解塑料等) ；环境工程材料，如环境修复材料、环境净化材料( 分子筛、 离子筛材料) 、环境替代材料( 无磷洗衣粉助剂) 等。 第1 章绪论 生态环境材料研究热点和发展方向包括再生聚合物( 塑料) 的设计、材料环境协调性 评价的理论体系、降低材料环境负荷的新工艺、新技术和新方法等。 7 、新型功能材料 功能材料【1 5 】是指表现出力学性能以外的电、磁、光、生物、化学等特殊性质的材料。 除前面介绍过的信息、能源、纳米、生物医用等材料外，新型功能材料主要还包括高温超 导材料、磁性材料、金刚石薄膜、功能高分子材料等。 当前的研究热点包括：纳米功能材料、纳米晶稀土永磁和稀土储氢合金材料、大块非 晶材料、高温超导材料、磁性形状记忆合金材料、磁性高分子材料、金刚石薄膜的制备技 术等。 8 、生物医用材料 生物医用材料【1 6 1 按材料组成和性质分为医用金属材料、医用高分子材料、生物陶瓷材 料和生物医学复合材料等。金属、陶瓷、高分子及其复合材料是应用最广的生物医用材料。 按应用生物医用材料又可分为可降解与吸收材料、组织工程材料与人工器官、控制释放材 料、仿生智然材料等。 例如：崔庚等实验显示，以纤维蛋白胶为载体复合b m p 的注射型骨修复材料，可显著 提高兔b m s c s 向成骨细胞方向的分化，但对b m s c s 促增殖作用不明显。在培养过程中， b m s c s 可长入实验组材料中，并且形态良好，提示该材料生物相容性良好，能提供优良 的细胞生长环境，可作为细胞载体或支架应用于临床【17 1 。 生物医用材料的研究和发展方向主要为： ( 1 ) 改进和发展生物医用材料的生物相容性评价 ( 2 ) 研究新的降解材料 ( 3 ) 研究具有全面生理功能的人工器官和组织材料 ( 4 ) 研究新的药物载体材料 ( 5 ) 材料表面改性的研究 9 、高性能结构材料 结构材料是国民经济中应用最为广泛的材料，从同用品、建筑到汽车、飞机、卫星 和火箭等，均以某种形式的结构框架获得其外形、大小和强度。钢铁、有色金属等传统材 料都属于此类。高性能结构材料一般指具有更高的强度、硬度、塑性、韧性等力学性能， 并适应特殊环境要求的结构材料。包括新型金属材料、高性能结构陶瓷材料和高分子材料 等。 6 北京服装学院硕士学位论文 当前的研究热点包括：高温合金、新型铝合金和镁合金、高温结构陶瓷材料和高分子 合金等。 1 0 、智能材料 智能材料【1 9 1 的基本组元有：光导纤维，压电材料，电磁流变体，形状记忆合金，磁致伸缩 材料，各类半导体敏感材料和高分子智能材料，所有这些都在智能材料和系统中有着广泛 的应用。 智然材料的出现将使人类文明进入一个新的高度，但目前距离实用阶段还有一定的距 离。今后的研究重点包括以下六个方面： ( 1 ) 智能材料概念设计的仿生学理论研究 ( 2 ) 材料智然内禀特性及智商评价体系的研究 ( 3 ) 耗散结构理论应用于智能材料的研究 ( 4 ) 机敏材料的复合一集成原理及设计理论 ( 5 ) 智能结构集成的非线性理论 ( 6 ) 仿人智然控制理论 南京航空航天大学纳米科学研究所的唐淳、郭万林和郭宇锋发现，在电场的作用下， 碳纳米管能产生巨大电致变形；而且与传统智能材料如铁电体等相比，其体积功率密度和质 量功率密度预计可分别提高3 个和4 个量级，是一种极具潜力的新型智能材料。 智能材料现正受到各方面的关注，从其结构的构思、到智能材料的新制法( 分子和原子 控制、粒子束技术、中间相和分子聚集等) 、自适应材料和结构、智能超分子和膜、智能 凝胶、智能药物释放体系、神经网络、微机械智能光电子材料等方面都在积极开展研究。 智能材料的研究内容是非常丰富的，如果把各种类型的陶瓷传感器与陶瓷驱动器集成在一 起，再把场致发光显示部件、语言与音响部件也集成在一起，则可设计出功能相当复杂的系 统，在这种系统中，材料与器件的界限也逐渐消失了。 1 l 、新型建筑材料 新型建筑材料【2 0 】主要包括新型墙体材料、化学建材、新型保温隔热材料、建筑装饰装 修材料等。其中化学建材包括建筑塑料、建筑涂料、建筑防水、密封材料、隔热保温材料、 隔声材料、特种陶瓷、建筑胶粘剂等，是我国”十五”期间要重点发展的新型建筑材料。 到目前为止，普通建筑物的寿命一般设定在5 0 - - 1 0 0 年。现代社会基础设施的建设日 趋大型化、综合化，例如超高层建筑、大型水利设施、海底隧道等大型工程，耗资巨大、建 设周期长、维修困难，因此对其耐久性的要求越来越高。此外，随着人类对地下、海洋等苛 7 第1 章绪论 刻环境的开发，也要求高耐久性的材料。目前，主要的开发目标有高耐久性混凝土、钢骨混 凝土、防锈钢筋、陶瓷质外壁胎面材料、弗素树脂涂料、防虫蛀材料、耐低温材料，以及 在地下、海洋、高温等苛刻环境下能长久保持性能的材料。 1 3 2 现代新材料在产品设计中的研究应用现状 1 、新材料与新工艺研究 哈尔滨理工大学的于宁建立了以灰色理论评价为特色的数据库模型，以设计事理学和 材料应用领域移植为基本理念，以灰色理论评价和市场调研为主要手段对新材料与新工艺 的应用进行研究。着重于工艺的流程、特色、优势和材料的情感属性、典型应用、创新应 用，兼顾材料性能、加工方法，而较少考虑材料的结构成分，从工业设计的角度审视材料 与工艺的内涵，体现面向工业设计的特点【2 l 】。2 0 0 3 年江湘芸编著的设计材料及加工工艺、 2 0 0 4 年张锡编著的设计材料与加工工艺等更进一步研究了某些材料的某些工艺所成型 的产品的造型特征，更具工业设计学科的材料工艺学特色。对表面装饰工艺有一定研究。 2 、新材料适应性研究 武汉理工大学的艾险峰提出了设计选材的适应性原则【2 2 】；最后基于事理学与认知心理 学等知识体系，提出了用材的适合性评价框架。他从生物的适应性、人的适应性、人工物 的适应性以及设计的适应性系统这一流程分析了适应性理论的发展脉络，并采用演绎推理 法得出了设计选材的适应性原则和用材的适合性评价框架。 武汉理工大学的韩吉安提出了“设计选材相适性系统”的理论体系。设计选材活动应 该从社会文化趋势、用户的需求和产品的使用环境等外在因素下确定选材的目的；然后对 可用材料的适应性( 内在因素) 进行分析，因势利导的合理应用，最终实现设计选材系统内 在因素( 材料的适应性) 和外在因素的相适【2 3 】。 张杰通过对家具设计的研究，提出设计选材是设计师主动选择系统内部因素以达到与 系统外部因素相适应的过程。在这个系统中，现代家具材料的选择加工方式是系统外部因 素，家具材料本身的特性是其内部因素。由于受到材料本身和当时社会文明程度的限制， 不同的家具材料必然选择与之适应的加工工艺【2 4 】。 3 、新材料的特性研究 m i c h a e la s h b y 在m a t e r i a l ss e l e c t i o ni nm e c h a n i c a ld e s i g n 一文中认为在材 料选择过程中应考虑材料特性的结合，如何才能加工，在应用过程中什么样的材料功能才 能满足产品的这一功能需求，并建立了材料选择的流程图【2 5 】。 合肥工业大学的刘舒瑶提出了以材料的功能特性、感觉特性与产品的使用功能、情感 北京服装学院硕士学位论文 功能相结合的材料应用方法。她的这一方法是通过研究现代新材料的一般特性，再从设计 的角度对新材料的功能特性、感觉特性、美学特性三个方面深入分析得出的【2 6 】。 华北电力大学的徐健在对产品形态、材料属性、产品功能、用户需求的分析的基础上， 总结出了新材料与本土文化和民族特色的结合、新材料的情感属性在未来产品的高情感设 计中的应用、环保型材料与以“生态美”为设计的目标和动力的产品形态设计的结合将是 未来的发展趋势【2 7 1 。 华东理工大学的于悦介绍了智能材料的分类、智能材料已有的和可能的应用场合和前 途，总结家居产品设计需满足的基本特性与需求，在此基础上归纳出了智能材料特性于家 居产品的体现方式、实际应用原则【2 8 】。 苏建宁和李鹤岐依据感性工学的理论，从消费者的角度出发研究工业设计中材料的感 觉特性：通过产品造型材料意象调查得到消费者的意象偏好，再应用统计分析，在定量层面 上得出了消费者的心理感性意象与产品造型材料的对应关系，据此形成知识库，指导后续 的产品设计【2 9 】。 4 、产品特色研究 m i k ea s h b ya n dk a r aj o h n s o n 在 t h ea r to fm a t e r i a l ss e l e c t i o n 中提出了一 种通过研究产品所体现出的个性，来进行材料选择方法，这种方法的特点就是通过分析产 品应用的场合，选用相适合的材料【3 0 1 。 佛山科学技术学院的安军和范劲松在产品的个性特征分析与材料设计研究中提出 了一种新颖的产品特征结构，该结构能清晰地表达产品设计中产品的个性与材料、加工工 艺以及易用性之间的关系，特别讨论了构成产品个性的三个层次的内容。并通过具体案例， 阐述了如何针对产品个性的各个方面，恰当地运用材料及加工工艺来创建产品的个性特征 3 1 1 o 5 、选择方法研究 r v e n k a t ar a o 在( ( m a t e r i a ls e l e c t i o nm o d e lu s i n g g r a p ht h e o r ya n dm a t r i xa p p r o a c h ) ) 一 文中，提出了利用一个给定的工程用图和矩阵方法组合的材料的选择方法【3 2 1 。 m f a s h b ya n dd c e b o n 在m a t e r i a l ss e l e c t i o ni nm e c h a n i c a ld e s i g n 中 提出了一种新型的已经制定和实施的材料选择程序软件。该程序利用了材料的选择图表， 它可以显示材料性能数据和性能指标，并可以选择支配性能优化的材料和形状的方法组合 3 3 1 。 9 第1 章绪论 l c i g hh o l l o w a y 在 m a t e r i a l ss e l e c t i o nf o ro p t i m a le n v i r o n m e n t a li m p a c = ti nm e c h a n i c a l d e s i g n ：中着眼于机械设计一个特定的材料选择方法：他利用m fa s h b y 材料选择图， 并演示了如何把这种方法可以推广到考虑到环境因素去指导设计洲。 南京工程学院材料工程系的王章忠提出了运用价值工程的基本原理，进行价值选材的 方法。他从系统论角度讨论了现代工业产品价值选材的基本要素与过程分析了材料选择 对产品功能和寿命周期成本的影响，最后给出了价值选材的应用实例9 ”。 m f a s h b y 在( m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o ni nm a t e r i a ld e s i 目aa n ds e l e c t i o n 提出了 材料选择的多目标优化法，这些优化指标一般是成本，质量体积，功率重量比和能量密度 通过这些评价指标来实现设计的完整q 。 133 新材料应用在产品设计中的意义 每一种新材料或者材料的新用途的出现和成功运用，都会引发产品设计领域的一次重 大变革。塑料的出现与运用，极大的改变了工业产品的面貌，与金属、木材制造的产品相 比，塑料产品的造型几乎变得“髓心所欲”。苹果电脑对透明材料的成功运用，使电脑形 象焕然一新，成为很多厂家竞相模仿的对象，这也成为了苹果公司发展的一个重要转折点 ( 围卜2 ) 。1 8 5 1 年英国伦敦第一届世界博览会的场馆建筑水晶宫( 图卜3 ) ，第一次 大规模的使用钢结构和大面积玻璃做为建筑材料，使建筑呈现出前所未有的形象。这座本 是为世博会展品提供展示场所的建筑，其本身却成为了第一届世博会最成功的展品，成为 人类历史上的里程碑作品开创了一个全新的局面。 7 。日罔日 曼 j 主：阕誉鍪i ， 图1 2 苹果电脑 材料是人类赖以生存和发展的物质基础 圈1 3 水晶宫( 1 8 5 1 ) 新材料是营造未来世界的基石。如果没有2 0 世纪7 0 年代制成的光导纤维，就不会有现代光线透信：如果没有制成高纯度太直径的硅 单晶，就不会有高度发达发展的集成电路，也不会有今天如此先进的计算机和电子设备。 展望新材料对产品造型设计的影响和作用，可总结如下。 北京厦装学院颈士学位论文 ( 1 ) 在产品进一步电子化、集成化和小型化的趋势下，新材料的使用有可能突破传 统结构，甚至还可能引起一场材料与技术的革命，产生新的产品设计风格。好比四十年代 的产品以流线型风格为主，其中一个重要原因就是受到工艺的制约。这种造型风格给人以 浑厚、粗糙、缺乏力感的印象( 如图l - 4 k 而到了2 0 世纪年代后产品设计的造型，向方形 小圆角过渡，给人以刚劲挺拔、轮廓线清晰、简洁大方美感( 如图l 巧) 。因此，设计工作应 与新材料开发建立一种互相融合的关系。 嚣 目1 甲竞虫墅，怫圈l _ 5 可可小记 ( 2 ) 产品外观形象更要具有未来性。新材料的使用， 不仅对产品外观可以起到新颖美观独特的装饰作用，还可以 改善产品的品质，使设计本身变得更简洁、合理、美观，更 具时代感。 比如纳米材料制成的- i l s o nk 1 网球拍( 图l 6 ) 。强度 好，韧性好、质量轻。具有优异的操控性能和高反弹性。 ( 3 ) 材料在于功能相适应的同时，还要有良好的触觉 田1 _ 6 。1 l 啪1 阿球拍 质感和更好的可操作性。通过新材料的使用。设计应晟大限度地赋予产品新的魅力。 新材料及其工艺的应用可能使产品具有新的感知属性。 好比外观柔软的口e 妍h 电子智能织物键盘( 图1 _ 7 ) ， e l e k s e n 公司推出的这敖可卷曲地无线智能织物键盘，支持 蓝牙功能，仅重1 1 9 克，具有轻捷柔韧和防水地特点可满 足智能电话、p d a 以及各种手持设备收发电子邮件、文件 编辑、文字处理以及移动上网地需要。 智能织物很轻，但材料里却包含有转换和感应元件，能 翻1 - 78 l 。r e l 。盱智照织物 依据3 模型来进行变形。它持久耐用，物有所值，可洗涤且耐磨损。它的展太亮点是目前 的x 、啦置和压力感应技术极大的增加了产品的亲和力。 ( 4 ) 新材科及其工艺的应用研究可以方便设计师选择具有更优性价比的材料应用到 第1 章绪论 产品设计中去，使之在现代生活中具有新的意义。 比如日本设计工作室s t u d i oh 2 2 0 4 3 0 由蚕茧得到灵感，把它应用于椅子上，便设计出 了这张造型酷似蚕茧的椅子它的“蚕丝”材料是碳化纤维，很坚周也很舒适，给人很柔软 的感觉( 圈1 8 ) 。 田l _ 8 蚕茧持 圈1 _ 9b e n 0 - $ i e a e n ss f i 8 昔通版和限量版 又如手机外壳的材料大多是金属、合金或塑料陶瓷用的很少，原因是陶瓷的强度较 低、韧性较差，容易摔破。近年来，科学家研究出了增强增韧陶瓷，这不但解决了机械加 工问题，也为产品设计提供了新材料。图卜g 中是2 0 0 6 年b e n q - s i e m e n s $ 6 8 限量版手机采 用增强增韧陶瓷材料作为电池背盖，它细腻的质地、温润的手感是金属和塑料无法企及的。 通过研究新材料及其工艺的应用可以为设计师选用具备更优性价比的材料提供指导。 1 3 4 小结 综上所述，目前国内外对新材料应用方式的研究各有不同，但有些依然停留在材料性 能数据的分析，虽然出现了一些比较好的新材料的适应性研究、特性研究，但是还不能从 根本上解决产品设计中新材料应用问题，不能帮助设计师更方便的去选择新材料，应用新 材科。 对于这种问题，我的研究内容将不考虑材料的配制、冶炼以及分子结构等微观性质， 北京服装学院硕士学位论文 避免纯数据的罗列，改变专业化的陈述模式，从产品设计的角度出发去研究新材料应用方 法，希望我的研究工作能方便设计师对新材料的应用，提高新材料的使用效率，提高人类 的生活水平，促进生态环境的和谐发展。 1 4 研究思路与研究内容 1 4 1 研究思路 园 圃占囿 图1 - 1 0 论文整体研究思路 具体的研究方法是：研究新材料与产品设计之间的关系，这种关系的获得方法有两个： 1 、深入设计公司与设计师进行交流，了解他们在选用新材料时是怎么考虑的：2 、搜集大 量的新材料在产品中的应用实例，研究新材料的应用特性。在研究两者关系的基础上总结 归纳新材料分类的原则与方法，建立能够方便设计师选择新材料的新材料设计库。 1 4 2 研究内容 本文通过查阅资料，对现代新材料进行收集和整理是本课题研究的首要任务：通过对 新材料和产品设计关系的研究将材料应用到产品设计中，提出产品设计中应用新材料的原 则方法，指导新材料库的建立，是本课题研究的重点内容。 1 收集现代新材料，进行分类( - j - 按照新材料的结构组成、功能、应用领域等多种不 同角度进行分类。如：电子信息材料、生物材料、纳米材料、智能材料、高性能结构材料、 新型功能材料、绿色环保材料等。) 研究这些新材料的应用现状。 2 通过一定数量典型设计实例，分析新材料在产品设计中的应用( 可从产品的用户需 求、实现功能等方面展开研究分析) ，提出一些在产品设计中应用新材料的基本原则。 3 建立新材料库。( 可按照新材料的结构组成、功能、应用领域等多种不同角度对其 进行分类检索。探索以何种视觉展示方式介绍新材料的特点、应用等。) 1 3 第2 章基础理论研究 2 1 认知心理学 第二章基础理论研究 2 1 1 认知心理学概念 认知心理学【3 7 】是- - i 研究认知及行为背后之心智处理( 包括思维、决定、推理和一些 动机和情感的程度) 的心理科学。这门科学包括了广泛的研究领域，旨在研究记忆、注意、 感知、知识表征、推理、创造力，及问题解决的运作。 认知心理学与从前心理研究取向有两个关键的不同： 使用系统化的科学方法，拒绝接受内省的研究方式。与弗洛依德心理学的现象学研究 方法不同。 2 1 2 认知心理学的主要观点 广义上的认知心理学包括以皮亚杰为代表的构造主义认知心理学，心理主义心理学和 信息加工心理学，狭义上认知心理学就是信息加工心理学( i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g p s y c h o l o g y ) ，它用信息加工的观点等研究人的接受、贮存和运用信息的认知过程，包括 对知觉、注意、记忆、心象( 即表象) 、思维和语言的研究。主要的研究方法有实验法、 观察法和电脑模拟法。 认知心理学的主要代表人物有美国心理学家和电脑科学家纽厄尔( a l a nn e w e l l ，1 9 2 7 ) 和美国科学家、人工智能开创者之一的西蒙( h e r b e r ta l e x a n d e rs i m o n ，1 9 1 6 ) 等。他们 的主要理论观点有： ( 1 ) 把人脑看作类似于电脑的信息加工系统 他们认为人脑的信息加工系统是由感受器( r e c e p t o r ) 、反应器( e f f e c t o r ) 、记忆 ( m e m o r y ) 和处理器( 或控制系统) ( p r o c e s s o r ) 四部分组成。首先，环境向感觉系统即 感受器输入信息，感受器对信息进行转换；转换后的信息在进入长时记忆之前，要经过控 制系统进行符号重构，辨别和比较；记忆系统贮存着可供提取的符号结构；最后，反应器 对外界作出反应( 见图2 1 ) ： 1 4 北京服装学院硕士学位论文 环境信息加工系统 图2 - l 信息加工系统的一般结构 ( 2 ) 强调人头脑中已有的知识和知识结构对人的行为和当前的认识活动有决定作用 认知理论认为，知觉是确定人们所接受到的制激物的意义的过程，这个过程依赖于来 自环境和来自知觉者自身的信息，也就是知识。完整的认知过程是定向抽取特征 与记忆中的知识相比较等一系列循环过程。知识是通过图式来起作用的。所谓图示 ( s c h e n a ) 是一种心理结构，用于表示我们对于外部世界的已经内化了的知识单元。当图 示接受到适合于它的外部信息就被激活。被激活的图示使人产生内部知觉期望，用来指导 感觉器官有目的地搜索特殊形式的信息。 ( 3 ) 强调认知过程的整体性 现代认知心理学认为，人的认知活动是认知要素相互联系相互作用的统一整体，任何 一种认知活动都是在与其相联系的其它认知活动配合下完成的。 另一方面，在人的认知过程中，前后关系很重要。它不仅包括人们接触到的语言材料 的上下文关系，客观事物的上下、左右、先后等关系，还包括人脑中原有知识之间、原有 知识和当前认知对象之间的关系。 ( 4 ) 产生式系统 产生式系统( p r o d u c t i o ns y s t e u ) 的概念来源于数学和计算机科学，1 9 7 0 年开始广 泛应用于心理学。它说明了人们解决问题时的程序。在一个产生式系统中，一个事件系列 产生一个活动系列，即条件活动( 卜a ) 。其中的条件是概括性的，周一个条件可以 产生同一类的活动；其次，条件也会涉及到某些内部目的和内部知识。可以说，产生式的 条