产品设计之材料创新

产品设计之材料创新第1页/共75页材料与设计材料与设计常见材料塑料与设计结构设计与产品设计ProductDesignIII第2页/共75页3材料与设计为什么谈材料ProductDesignIII第3页/共75页4材料与设计ProductDesignIII材料是设计的物质基础和载体第4页/共75页5第5页/共75页6查而斯和伊姆斯第6页/共75页7马歇尔.布劳耶第7页/共75页8威乐.潘顿第8页/共75页9材料与设计ProductDesignIII材料和工艺是产品设计的物质技术条件，是实现产品设计的必要条件。设计通过材料和工艺转化为实体产品，材料和工艺又通过设计实现自己的价值。任何一个产品设计，只有选用材料的性能特点及其加工工艺性能相一致，才能实现设计的目的和要求。第9页/共75页10材料与设计ProductDesignIII材料的感觉特性

人的感觉系统因为生理刺激对材料作出的反应或者由人的知觉系统从材料的表面特征得出的信息，是人对材料的胜利和心理活动，它建立在生理基础上，是人们通过感觉器官对材料作出的综合印象。

（通过视觉和触觉，我们可以感受到很多材料的特性，不论它是透明还是不透明，柔软还是坚硬）第10页/共75页11材料与设计ProductDesignIII材料的视觉特性材料的触觉特性第11页/共75页12材料与设计ProductDesignIII材料的色彩美材料的肌理美材料的光泽美材料的质地美材料的形态美材料的美感第12页/共75页13材料与设计ProductDesignIII色彩美第13页/共75页14材料与设计ProductDesignIII肌理美第14页/共75页15材料与设计ProductDesignIII光泽美第15页/共75页16材料与设计ProductDesignIII质地美第16页/共75页17材料与设计ProductDesignIII形态美第17页/共75页18常见材料ProductDesignIII金属塑料木材陶瓷玻璃第18页/共75页19常见材料ProductDesignIII黑色金属。黑色金属主要就是钢铁材料，是以铁—碳二元合金为基础体系的金属材料，根据对性能和用途的不同要求，常加入其他各种合金元素以改变和提高钢的性能。根据钢铁材料的成分、组织结构与用途，钢铁材料可分为铸铁、碳素钢（碳钢）、低合金钢以及合金钢等。铁钢铝及铝合金镍和镍合金第19页/共75页20常见材料ProductDesignIII铁钢铝及铝合金镍和镍合金第20页/共75页21常见材料ProductDesignIII铁钢铝及铝合金镍和镍合金第21页/共75页22常见材料ProductDesignIII玻璃玻璃具有一系列优良的特性，如透明、坚硬、光滑、耐腐蚀等性能，以及良好的工艺性。通过多种成型和加工方法制成的玻璃制品，自古以来就在人类的生活、生产中发挥着重要作用。同时，从环境保护的角度看，作为地球上取之不尽的矿产资源和其可反复利用的特性，玻璃材料将是未来普遍看好的“绿色”材料。第22页/共75页23常见材料ProductDesignIII玻璃①压制成型。压制成型是在模具中加入玻璃熔料加压成形，多用于玻璃盅碟，玻璃砖。②吹制成型。吹制成型是先将玻璃粘料压制成雏形型块，再将压缩气体吹入处于热熔态的玻璃型块中，使之吹胀成为中空制品。吹制成型可分为机械吹制成型和人工吹制成型，用来制造瓶类容器、器皿、灯泡等。③拉制成型。拉制成型是利用机械拉引力将玻璃熔体制成制品，分为垂直拉制和水平拉制。主要用来生产平板玻璃、玻璃管、玻璃纤维等。④压延成型。压延成型是用金属辊将玻璃熔体压成板状制品，主要用来生产压花玻璃、夹丝玻璃等，该成型分为平面压延与辊间压延成型。第23页/共75页24常见材料ProductDesignIII第24页/共75页25常见材料ProductDesignIII第25页/共75页26常见材料ProductDesignIII木材木材是将采伐后的树木经初步处理与加工后得到的天然材料。木材由疏松多孔的纤维素和木质素构成。其硬度与密度因树种而异。总体上质轻坚韧．并富有弹性，易于加工。第26页/共75页2023/3/14ProductDesignIII第27页/共75页2023/3/14ProductDesignIII第28页/共75页塑料与设计塑料的种类、特性常用设计的塑料ProductDesignIII塑料第29页/共75页30塑料与设计塑料是当代发展最快，应用最广的人工合成材料。相对金属、木材、玻璃而言，塑料是一种年轻的材料。塑料自被发现和应用以来，不过一百多年的历史。在今天，塑料满足了人类生活中的诸多需求，从日常用品、家用电器、汽车到住宅，人类无时无处都能见到塑料的身影。ProductDesignIII第30页/共75页31塑料与设计塑料工业的高速发展，使得多种材料之间展开了竞争，一些原本大家熟悉的材料可能会失去原有的市场，而代之以功能更强、成本更低的材料。此外，出于安全因素和环保因素，工业设计材料也在不断变化之中。例如，出于安全的考虑，用聚碳酸酯制作的婴儿奶瓶和净水桶，有可能会被热塑性聚酯替代；传统的冰箱内衬所用的耐冲击聚苯乙烯和ABS塑料，因不能适应新型的环保型无公害的发泡剂，而会被改换成改性聚丙烯；高性能工程塑料由于强度、刚性比通用塑料更胜一筹，因而在适应产品微型化、薄壁化发展趋势方面会更显优势。ProductDesignIII第31页/共75页32常见塑料塑料广泛用于描述树脂和聚合物高分子材料。“塑料”的得名，是因为它们在温度升高不大的情况下，形状很容易发生改变。塑料的称呼有很多如塑料、树脂、聚合物、弹性体、复合材料等。聚合物、塑料和树脂通常认为是同义的，但在技术上是有差别的，聚合物是未添加任何物质的纯净化合物，并非所有的聚合物都是塑料，通常认为是一类材料的总称。ProductDesignIII什么是塑料第32页/共75页33常见塑料按加工性能行为特征可分为热塑性和热固性热塑性塑料受热时软化流动，冷却后固化定形且这一过程可以重复。热固性塑料在加工定型后，加热不会再软化，在溶剂中不再溶解，不能进行重复加工。塑料的种类很多，每一种塑料都有其特有的性能。ProductDesignIII什么是塑料第33页/共75页34常见塑料在很多应用场合，塑料可以和木材、金属陶瓷以及玻璃等材料竞争.。与其他材料相比，塑料在性能、价格或性能/价格比方面有其特殊的优势ProductDesignIII塑料的特征第34页/共75页35塑料特性ProductDesignIII通用性易于成型加工轻、比强度高透光性着色性耐化学腐蚀性力学性能电绝缘性易燃性第35页/共75页36塑料特性ProductDesignIII低劣的耐侯性较高的热膨胀系数第36页/共75页37塑料对产业的促进ProductDesignIII白电小家电第37页/共75页38塑料对产业的促进ProductDesignIII产品中的塑料件，按其作用和功能，大致可以分为三类第一类，用作产品的壳体、罩、框架、支座等，是对各种零部件起固定、承载作用，和对内部的电子元器件起保护作用的结构件；第二类是功能件和内外饰件，如面板、风扇叶片、按钮、旋钮、刻度盘、液晶显示屏等，其作用是用以控制、操纵和指示等；第三类是产品内部的电子元件器，如接插件、线路板以及其他直接和电接触的带电零件第38页/共75页39一般塑件基本要求ProductDesignIII（1）机械强度

产品的外壳、支座和各种功能件，应能安全地承受装配和使用过程中来自外界的载荷和来自内部的应力。所受载荷可能包括静载荷、动载荷、短期载荷和长期载荷。（2）电气安全性电气安全性事关人身安全。电气安全不仅与选材有关，而且与设计有密切关系。因此，目前对电绝缘安全性，国际国内普遍采用的原则是，对模塑成型后的产品进行测试，而较少采用对材料的测定。为此，必须参考现行的有效标准。第39页/共75页40一般塑件基本要求ProductDesignIII（3）耐热性

对家用电器中使用的塑料，必须进行耐热性试验，具体耐热要求，视产品用途而异。对于带电零件以及电热器具、电动工具的外壳，则对塑料件的耐热温度比普通电器产品的外壳有更高的要求。第40页/共75页41一般塑件基本要求ProductDesignIII（3）耐热性各种热塑性塑料可容许的工作温度塑料名称

可容许的工作温度塑料名称

可容许的工作温度

短期

长期

短期

长期ABSPC／ABSPCGF-PCPA695110～130135“51508080～9011511580～120GF-PA6PA66GFPA66PBTGF-PBT20017022020021012080～120120140～160140～160第41页/共75页42一般塑件基本要求ProductDesignIII（4）阻燃性电器产品的壳体，特别是与电压或电流直接接触的电器零件，按规定必须达到阻燃要求。虽然电器用塑料一般阻燃性较差，并且燃烧时会产生大量的黑烟和有毒气体，但是通过添加一定数量的阻燃剂，是可以达到一定程度的阻燃要求的，不仅可以阻燃，而且可以控制烟密度，分解的产物无明显毒性。第42页/共75页43一般塑件基本要求ProductDesignIII（五）电磁屏蔽性要求既能阻断外部发射来的电磁波进入产品内部，又能防止内部发射的电磁波干扰其他正在工作的电子产品，唯一的方法就是对电子电器产品进行电磁波屏蔽。第43页/共75页44一般塑件基本要求ProductDesignIII（五）电磁屏蔽性要求既能阻断外部发射来的电磁波进入产品内部，又能防止内部发射的电磁波干扰其他正在工作的电子产品，唯一的方法就是对电子电器产品进行电磁波屏蔽。受电磁干扰影响的电子产品分类A类B类A类B类

数据处理设备工业用计算机程序控制器微处理机电子打印机文字处理机大型计算机

个人计算机录像机电视机高保真收录机设备、仪表心脏起搏器数字式手表

复印机电话遥控装置数字式天平导航设备灵敏度高的试验仪器

电子游戏机袖珍计算机数字式钟表民用电台频带接收机第44页/共75页45一般塑件基本要求ProductDesignIII（6）抗菌性抗菌性是指在常用的聚合物材料中，添加了一种或几种特定的抗菌剂成分之后，赋予了材料杀菌灭菌的一种能力。开发和应用具有杀毒灭菌能力的抗菌塑料，对于减少病菌传播、保障人民健康和提高人类生活质量，具有十分重大的意义第45页/共75页46一般塑件基本要求ProductDesignIII小结产品采用的设计材料，除了要求能满足电器设备正常工作的基本要求之外，还要考虑到产品的加工性能、可装饰性和经济成本。大部分壳体材料和电气部件以注射成型为主，产品要满足小型化、薄壁化、精细化的要求，以及产品优美的造型设计，都需要材料有良好的加工流动性。材料还必须能适应产品的装饰化要求，如电镀、涂装、染色、烫印等。产品的成本在涉及家用电器一类民用产品时，是个敏感因素，因此选择材料时，材料的价格、资源的合理利用、环境友好性以及尽可能短的生产周期等也是必须考虑到的。第46页/共75页47通用热塑性塑料ProductDesignIII85%PE、PP、PVC、PS、ABS等第47页/共75页48通用热塑性塑料ProductDesignIII通用塑料PE、PP、PVC、PS、ABS等第48页/共75页49通用热塑性塑料ProductDesignIII聚乙烯简称PE，是应用极为广泛的通用树脂，也是合成树脂中产量最大的一个品种polyethylene第49页/共75页50通用热塑性塑料ProductDesignIII低密度聚乙烯性质柔软、硬度低、刚性差，主要用于材料在低温下也有极好韧性或变形能力的场合。如制作一些强度要求不高的生活用品、玩具、小型容器，要求良好密封性的罩、盖和较大容量的滚塑容器；线型低密度聚乙烯的耐环境应力开裂性要比LDPE和HDPE好的多，又有非常好的耐穿刺性，因此更适宜生产盛装油类和洗涤剂类物品的小型容器；用LLDPE生产的盖有良好的密封性和回弹性，LLDPE也用来生产比较大型的滚塑容器和中空壳体第50页/共75页51常用塑料ProductDesignIII高密度聚乙烯有较高的机械强度，可制作一些受力不大的机械部件，如盖壳、手柄、紧固件、衬套；利用PE的轻量性和耐冲击性，可生产周转箱、托盘、运输容器和冲浪滑板。在欧美，近40％的HDPE用来生产中空容器，而市场上中空容器的2／3几乎都使用HDPE。典型的用途，如奶瓶、化学品瓶、食品瓶、药品及化妆品瓶；高流动性的HDPE用来生产高抗冲的薄壁食品容器，大型的容器如太阳能热水器、200～1000L。的运输容器，汽车油箱、燃料罐也是用HDPE生产的。HDPE也能生产大型的滚塑容器，用来作为储罐、储槽和城市废物容器等第51页/共75页52通用热塑性塑料ProductDesignIII聚丙烯polypropylene简称PP，是通用塑料中综合性能非常优异的一种材料。近几年，PP工程塑料的研究和开发取得很大进展，使PP在汽车、家电等行业获得广泛的应用。第52页/共75页53通用热塑性塑料ProductDesignIII①密度小，仅为0．89～0．9lg／cm3，在热塑性塑料中，仅次于聚—4—甲基—1—戊烯。②制品力学性能好，具有高的刚性和表面硬度，特别是有非常优异的耐弯曲疲劳性，能经受几十万次的折叠弯曲而不破坏，很适合用于铰链。③长期使用温度可达120°C，不受外力时最高可达150°C，是通用塑料中耐热性较高的一种材料。④低吸水性，突出的耐化学药品性，能耐80℃以下的酸、碱、盐及很多极性有机溶剂。⑤由于是非极性材料，因此有优良的电气绝缘性能，对高频的诱电性非常好。第53页/共75页54通用热塑性塑料ProductDesignIII①耐日光性差，易发生热氧老化，用于室外需添加抗氧剂和光稳定剂。②低温耐冲击性差，抗蠕变性和耐磨性也不佳。③氧化性酸能促使PP降解，对脂肪烃、芳烃有不同程度的溶胀，而卤代烃对PP也有破坏作用。聚丙烯polypropylene设计注意第54页/共75页55通用热塑性塑料ProductDesignIII④避免与铜接触，铜盐溶液对PP有特殊的破坏作用，因此制品中不宜有铜嵌件，除非使用耐铜级聚丙烯。⑤PP成型收缩率较高，热膨胀系数也比较大，制品在热环境下受应力作用，要防止热应力脆化的发生。⑥与PE有相似之处，由于非极性的缘故，制品涂饰和粘接需表面处理。聚丙烯polypropylene设计注意第55页/共75页56通用热塑性塑料ProductDesignIII良好的物性和相对低的价格，使PP的应用非常广泛，涉及的领域包括汽车、家电、包装、化工、机械、家用器具、文体用品以及医疗卫生等。聚丙烯polypropylene应用第56页/共75页57通用热塑性塑料ProductDesignIII洗衣机是PP使用量较多的家电产品，材料要求有高的冲击强度和刚性强度，适用的大部件有内桶、底座、面盖、波轮、泵壳等，采用非增强级的PP内桶，允许的旋转速度是600r／min，选择玻璃纤维增强的PP内桶，可达到1200r／min。PP在冰箱上的应用近年呈不断增长趋势。采用PP制造的部件有冰箱顶盖、接水盘、冰箱压缩机罩、控制面板、隔板、搁架、抽屉盒、保鲜筐等；由于新型环保型发泡剂对ABS、HIPS有明显腐蚀作用，已开发了高熔体强度的PP生产冰箱内衬。为适应冷冻用途的部件耐寒性要求，可采用无规共聚PP，既有很好的透明度，又具低温冲击性。聚丙烯polypropylene应用第57页/共75页58通用热塑性塑料ProductDesignIII用作家电壳体材料的PP大多属于高性能品种，有高模量、高冲击强度、高流动和热稳定性高的品种，它们多属阻燃级，其中不少为复合物或合金。各种级别的改性PP，已在电视机后壳、内框、空调器、吸尘器、换气扇、电扇等家电产品上得到应用。这些材料所具有的优异的劲度、韧性、防翘曲性和光泽度，完全可与ABS媲美。PP在耐热性方面具有的优势，使得PP在厨房电器、小家电壳体材料方面的应用也呈快速增长之势。一些耐热品种已代替ABS、PC和PA等工程塑料，用于咖啡壶、洗碗机、电水壶、烤面包机、电饭煲、热水器等家电产品。聚丙烯polypropylene应用第58页/共75页59通用热塑性塑料ProductDesignIIIPP在汽车消费的塑料中占据最大的份额，约占总市场的42％，大量的内饰件和外饰件如保险杠、仪表板、方向盘、蓄电池壳体、装饰板、冷却风扇、散热器罩、灯壳、挡泥板等，视部件的使用要求可选择高冲击型、高刚性、耐高热性、高光泽等各种品牌，大部分是塑料合金和掺混物。有些内饰件可直接使用高结晶性的PP。高冲击的弹性体增韧的PP用于汽车保险杆材料，为汽车提供了良好的安全性能。因此，在欧洲95％的汽车保险杠材料采用这种材料。聚丙烯polypropylene应用第59页/共75页60通用热塑性塑料ProductDesignIII家用电器方面的应用以板材和注塑件为主，主要应用有洗衣机、洗碗机、干燥机、冰箱、电视机、空调等，也包括一些小家电。有些需要专用品牌，如洗衣机的内桶等部件。高品质的PP可以在这一领域同ABS竞争。无规共聚的PP以及采用成核技术研制的透明聚丙烯，前者透明度可达96％，后者可达到89％，可与典型的透明材料如PET、PVC、PC相媲美，能广泛应用于对透明度要求高的食品容器、文具、瓶、微波炉炊具以及需高温下使用或消毒的器具，如婴儿奶瓶、医用注射器、热饮杯等。某些用途（如医用制品）需耐辐射级PP。聚丙烯polypropylene应用第60页/共75页61通用热塑性塑料ProductDesignIIIPP的铰链特性使它在盒、罩、容器盖方面得到很多应用，盖及盒体或瓶体的一次成型，既降低了成本，又给使用带来了方便，可用于文具用品、医用器皿，以及仪表盒、工具盒、眼镜盒、化妆用品等。

PP在硬包装方面的应用包括周转箱、啤酒保鲜桶外壳、托盘、运载容器、吹塑瓶和用片材生产的热成型容器。玻璃纤缠增强的、阻燃级的聚丙烯在电气方面可用于电气开关、接线盒、电声零件、配电盘盖、电动工具等电气零件和电器设备，特殊的品级有耐铜级、电磁干扰屏蔽级。有耐候性方面要求的制件可选择PP／丙烯酸合金和PP／SMA合金。聚丙烯polypropylene应用第61页/共75页62通用热塑性塑料ProductDesignIII聚氯乙烯polyvinylchloride简称PVC，是最早工业化生产的塑料品种之一，在聚烯烃塑料迅速崛起之前，PVC是国内产量最大、应用最广的塑料材料。价格便宜和综合性能优良，是PVC得到广泛应用的主要原因。第62页/共75页63通用热塑性塑料ProductDesignIIIPVC硬制品可作为结构材料使用，各种建筑用材，如管材、异型材、板材等，是硬质PVC的主要应用领域。由于PVC防腐性能好，在化工、环保、石油、医药工业等部门也有广泛的应用。PVC是非结晶无定形聚合物，有良好的透明性。如果注意各种助剂的选择和使用，可以加工成透明性很好的制品，用于装饰材料、食品包装用品、食用油瓶和医用制品。聚氯乙烯polyvinylchloride应用第63页/共75页64通用热塑性塑料ProductDesignIII软质PVC过去多用作日用消费品，现在向医用材料发展。在汽车、轮船等运载工具方面，软质PVC作为密封材料、装饰材料，应用量也较大。良好的电气绝缘性不仅使PVC在电缆工业得到大量应用，也可以作为电动工具的绝缘手柄和其他绝缘材料使用，尤其是PVC与ABS和SMA的合金可用作电脑配件、家用电器、电气工具、仪表外壳、计算机零件、商用机器的电子配件等。聚氯乙烯polyvinylchloride应用第64页/共75页65通用热塑性塑料ProductDesignIII透明、无毒、柔韧，适于作矿泉水瓶，玩具、包装膜和泡沫塑料等。排水的压力管；柔性物品：用于婴儿裤和仿皮制品（如仿麂皮）；用于隔热和绝缘，可用于电线电缆；应用在水床上的被覆和静电粉末喷涂方法；用于室内装潢，地板砖、管子、软管、瓶子聚氯乙烯polyvinylchloride应用第65页/共75页66通用热塑性塑料ProductDesignIII聚苯乙烯polystyrene简称PS，是最早工业化生产的树脂之一。在通用塑料中，产量仅次于聚烯烃和聚氯乙烯。第66页/共75页67通用热塑性塑料ProductDesignIII通用级PS，以其透明性、刚性和电气绝缘性，主要用来生产绝缘材料、玩具、文具用品、透明模型、光学零件以及家庭日常用品，片材用于硬包装领域。聚合工艺的改进、高分子量PS及间规PS的开发，使PS由通用树脂的应用领域进入工程塑料的应用领域，主要的应用目标是电子工业和汽车工业，微波领域可能也是间规PS未来重要的应用领域。与通用级PS比较，耐冲击PS的应用更广泛，被大量用于家电机壳、电器用具、冰箱内衬。新开发的各种HIPS，无论是加工性、耐冲击性还是外观光泽，都可和ABS竞争，甚至可以和ABS／PS合金竞争，新的竞争点和增长点是办公机械和计算机部件聚苯乙烯polystyrene应用第67页/共75页68通用热塑性塑料ProductDesignIIIABS树脂AcrylonitrileButadieneStyrene丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物的简称。ABS这一名称即是由用以制造这一共聚物的三种单体：丙烯腈（A）、丁二烯（B）、苯乙烯（S）的首字母所组成。第68页/共75页69通用热塑性塑料ProductDesignIIIABS是电子电器工业使用量最大的塑料品种。其特点是刚性、韧性的平衡，良好的着色性、可电镀、加工流动性好，而价格在通用塑料和工程塑料之间。ABS主要用于各种电子电器设备的外壳，如电风扇、暖风机、冰箱门胆、电视机、吸尘器、空调机、食品搅拌机、电话、音响设备、传真机、复印机、手机、笔