人与设计及材料的关系

1、人与材料之间的关系新兴材料与人们的生活材料是设计的物质基础，任何产品功能目标的实现是通过可感知的材料等体现出来，材料的发明与应用，是一个时代的标志，它标志着科学技术的发展水平，而任何设想与计划只有在融合材料自身的材性与生产规律，才可能使设想转变为理想的物品；才能保证物品的品质和成功率。在设计中，材料及工艺和设计的关系式非常密切的。材料和工艺是产品设计的物质技术条件，是产品设计的基础和前提。设计通过材料和工艺转化为实体产品，材料作为一个包括产品人环境的系统中的一部分，以其自身的特点和特性影响着产品设计，不仅保证维持产品功能的形态，并且通过材料自身的特性满足产品功能的要求，成为直接被产品使用者所触

2、及的唯一对象。任何一个产品的设计，只有与选用的材料性能及其加工工艺相一致，才能实现产品的目的和要求。每一种新材料新工艺的出现都会为设计的实施的可行性创造条件，并对设计提出更高的要求，给设计带来新的飞跃，出现新的设计风格，产生新的功能，新的结构和新的形态，而新的设计构思也要有相应的材料和工艺来实现，这就对材料即工艺提出了新的要求，促进了材料科学的发展和工艺技术的进步与创新。总之，设计通过材料和工艺转化为实体产品，材料和工艺通过设计实现自身的价值。二者相辅相成相互促进。一 太阳能电池材料在高科技领域中，太阳能电池、储氢和核能的利用简单说明能源与材料的关系。能源是人类赖以生存的重要资源之一，是人类社

3、会发展进步的动力。目前，世界上主要还是以化石能源为主要消耗，但是，随着社会经济的飞速发展，只依靠化石能源已不能满足这种发展速度。而且，化石能源存在着两大主要问题：一是资源有限，据有关专家估计，按目前世界能源消耗速度，把地球上所有的化石能源和到一起，也就足够用一百年左右。二是化石燃料燃烧时，不但产生污染空气和水的烟尘和灰渣，而且还大量排放二氧化碳，从而形成“温室效应”，导致地球气温上升，生态环境恶化。要解决石化燃料存在的这两大问题，必须减少对石化燃料的依赖，增加核能、太阳能等新能源的应用。而在新能源开发过程中，新材料的研制和应用在提高能源转化效率、增加稳定性和降低成本等方面起到了至关重要的作用。

4、在某种意义上说，材料科学是新能源的重要支柱。目前应用的太阳能电池材料主要有四种：1单晶硅和多晶硅；2非晶态硅；3硒铟铜合金；4镉碲化物和其他的硫化物。在上述四种材料中，硅太阳能电池研究较早，生产技术比较完善，但单晶硅材料受其成本和抗辐射能力的影响，应用到限制。硒铟铜合金能量转化效率高，大面积制备简单，性能稳定，是一种很有发展前途的太阳能电池材料，其面临的主要任务是进一步降低成本，建立大规模生产方法。由于大规模应用需要高技术和高投资，因此先进的太阳能技术产业化刚刚起步。各工业发达国家对发展太阳能产业都十分重视。美国、日本等都提出了本国的太阳能发展计划，我国对开发太阳能电池新能源也比较重视，已经在

5、阳光充足而常规能源缺乏的西藏阿里地区建成10千瓦光伏示范站。太阳能的广泛利用，将可能比较彻底的解决能源短缺和环境恶化的问题。当然，这需要无数的人共同的不懈努力才能实现。二 储氢材料氢是无公害的燃料，如果将海水制造的氢作为燃料使用，从理论上讲，燃烧只生成水，所以有利于环境保护。另外，如果能利用太阳的热量从海水中制取氢，则能成为无污染能源系统。氢还是一种非常适合贮存的能源，原子能、地热、风能、潮汐、太阳能以及火力发电，难以做到相应于负荷的变化来调整输出功率。因此，在非用电高峰时，贮存电力的方法至关重要。相比受地形限制很大的扬水发电来说，用电电解水产生氢储存起来更经济。氢燃料能否成为广泛利用的能源，

6、尚有许多问题需要解决，也就是说，在氢的制造、贮存、输送等各个环节中，如何做到效率高而且安全，将决定氢能系统成功与否，其中安全贮存和运输是关键问题之一。稀土类合金被认为是性能最好的储氢合金，其代表性的合金有LaNi5、MmNi5等。为了满足使用要求，合金向多元化方向发展，已经开发出了四元和五元合金，例如，LaNi4.7Al0.3、La0.8Nd0.2Ni2.5Co2.4Al0.1以及MmNi4.5Mn0.5等。稀土储氢材料已得到成功的应用，如日本川崎重工业公司用富镧混合稀土镍铝合金制成容积为175立方米的储氢容器，与同样容积的高压气瓶相比，容器重量减少30%，体积减少86%。稀土储氢合金在热泵上

7、的应用也取得很大进展。三 核能用稀有金属材料近些年，全世界核电发展迅速，已有近千座核电站在运行。核电发电需要大量高性能材料，才能保证安全运行。核能使用的材料分8类：核燃料、燃料包套材料、结构材料、中子减速材料、冷却材料、中子反射材料、中子控制材料、屏蔽材料。其中多种材料必须使用稀有材料。核燃料包套材料采用多种锆合金。国内核动力堆对锆合金的应用有：20世纪70年代初，我国用国产2号锆合金装备了我国第一批核潜艇；清华大学研制成功的世界上第一座投入运行的5兆瓦低温供热反应堆，采用国产4号锆合金作活性区流通分隔装置和控制棒导向装置的材料我国自己建造的秦山核电站的堆芯包壳管采用了4 号锆合金。另外，金属

8、铪可用来制反应堆的控制棒，铍是核聚变动力堆中的理想材料，钛合金适用于制造核电站中的低压涡轮叶片和冷却泵部件，TiH2是优良的中子减速材料，Gd2O3为优良的中子吸收材料，钨是优良的射线屏蔽材料等。四 新型半导体材料半导体材料与光电子材料、光子材料、新型元器件材料等构成了信息技术和产业的基础。美国Polyera公司的研究人员开发了新型的基于萘二甲酰亚胺（naphthalene- dicarboximide）和苝二甲酰亚胺（perylenedicarboximide）的聚合物，可以轻易地接受低能电子，形成排列非常整齐的骨干结构，使得电荷可以高效通过，该低成本、稳定的有机半导体聚合物弥补了目前n型有

9、机半导体材料的空白。美国罗彻斯特大学制备出一种能持续发光的纳米晶体，有望用于研制更加廉价更多用途的激光、更加明亮的LED，同时能够作为高精度跟踪药物与细胞的交互作用的生物标记物。五 生物医用材料生物医用材料是用于诊断、治疗、修复或替换病损组织、器官或增进功能的天然或人造高技术新材料，生物医用材料迅猛发展的主要动力来自人口老龄化、中青年创伤的增多、疑难疾病患者的增加和高新技术的发展，尽管全球医学材料应用已达90多个品种、1800余种商品，但生物医用仿生材料和人工器官设计与制造仍存在很多关键技术亟待突破，其材料与生物相容性研究将是一个永恒的主题。英国曼彻斯特大学将可生物降解纳米纤维进行旋涂电纺，通

10、过外科手术移植到受伤的部位，加速肌腱生长和修复，可大大缩短愈合时间。日本早稻田大学、防卫医科大学从螃蟹壳和海带中提取的壳聚糖、海藻酸钠合成出一种手术用的纳米薄膜，制成厚度在301500nm的医用“胶布”，可以用于修补身体内部的伤口之后在体内降解，克服了现有医用黏合剂黏接部位容易出现并发症的弊端，有助于缩短手术时间。 六 材料领域未来展望当今材料科学技术发展的重要方向包括了：结构功能一体化、功能材料智能化、材料与器件集成化、制备及应用过程绿色化。主要体现在： （1）信息材料向超高集成电路、超低线宽、器件微型化、多功能化、模块集成化发展。信息载体由电子向光子发展，光通信、光传感

11、、光存储、光转换技术成为发展重点方向。DNA结构微型芯片、压电材料、信息存储材料等值得高度关注。（2）结构材料向轻质、高强高韧、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、低成本、环境友好、复合化、多功能化发展。以高性能、低成本制造技术为发展重点，向材料设计制造评价一体化、功能化（智能化以功能材料为基础）的方向发展。（3）功能材料在新型电池材料和超级电容器材料、稀土永磁材料、生态环境材料、生物医药与仿生材料、超导材料等重点方向取得新突破。仿人机器人、骨整合技术值得关注。（4）在材料共性关键技术方面，纳米技术已经成为世界高度关注点，实用化进程加快，包括在纳米生物传感材料、生物医用材料、纺织材料等。材料设计、制备、加工与综合性能评价新技术使得材料微观结构设计逐步实用化。材料智能化制备技术将材料设计、零部件设计、材料的合成制备及组织性能的实时在线监测、反馈控制融为一体。（5）材料的绿色制备技术、高效利用共性技术和工程化关键技术已经成为提高产业技术创新能力，形成大规模、低成本、环境友好材料产业的迫切需求。 材料领域将坚持满足