新材料在工业设计中应用浅谈

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摘要：材料是工业设计发展的基础，应用范围广阔，在各领域中都能看到新材料大放光彩。文章简述了新材料与科技革命之间的联系，然后介绍了当下新材料在各个行业中的应用情况，并对各领域中新材料的应用进行了具体的案例分析，使人们对新材料的认识更加深入。新材料的应用，不仅可以推动工业设计各领域各行业的发展，同时也可以推动自身的发展。此外，新材料性能的充分利用，可以便捷日常的生活方式，提高人们的幸福指数。

关键词：新材料；科技革命；工业设计

前言

近年来，市场上的产品琳琅满目，远不是过去种类功能单一、色彩简单，而是更加注重人们的喜好以及日常生活习惯，考虑生理以及心理的需求。市场上的产品展现出各种新材料的物理、化学以及感官特性，极大地照顾到人们的生活体验。从历史经验来看，新材料的出现及应用会促进一个时代的繁荣，材料影响并改善人类的生活条件和生活方式。本文将以新材料为主体，简单论述社会发展中新材料与科技革命的关系，展示新材料的作用。

1新材料

1.1新材料的发展与科技革命

与传统材料相比，新材料主要在两方面体现出优势，其一是具备特殊的功能特性，被发现时就拥有的，可以进一步掌控并加以利用。其二是在传统材料的基础上经过技术的处理，使其某物理特性加强。因此，对特性的加工以及利用十分考验时代的科技能力，故而新材料的应用情况可以直接显示出时代的发展水平。新材料经过了漫长的发展史，从被发现，然后不断优化，最后到实际应用，经历了漫长的时间。比如：1903年的不碎玻璃，1911年的超导体，1920年的超塑性合金，1938年的聚四氟乙烯，1959年的金属玻璃，1963年的记忆金属，1974年的贮氢合金，1977年的导电塑料，1984年的纳米材料，2004年的石墨烯等等，大量新材料已经投入生产并走进生活中，在不知不觉中已熟练使用，给人们提供便利。材料是构成物质的基础，而物质是人类经济社会进步的推动力，所以材料从一定的程度上推动着社会的进步。在人类历史发展中，一种材料的出现，带动科技革命的发展，从而推动中国的工业进步，这种规律是显而易见的。如18世纪60年代，钢铁等金属材料的出现并应用开启了机械制造时代，这一时期出现了大量的机械设备，包括纺织机械、内燃机和蒸汽机，实现了工厂机械化；一百年后，进入了电气化与自动化时代，电磁、绝缘等材料被广泛使用，发明了电机驱动的机器，大规模地取代手工劳动，极大程度地解放了人们的双手；20世纪，随着半导体、硅等材料应用到互联网中，步入了电子信息化时代；21世纪，工业的迅速进展，进入了现实与虚拟网络世界相互交融发展的时代。同时出现的许多人工智能设备，需要得到更新材料的支持，如纳米材料、单原子石墨烯和其它新材料。

1.2新材料在工业设计的应用现状

在工业设计迅猛发展的势头下，产品更新换代的周期不断缩短，应用材料的转变为工业的发展提供更多的可能性和机遇。在人们生活中，新材料的痕迹无处不在，大到气象卫星、高铁，小到手中的手机、平板电脑。新材料具有物理、化学以及感官功能等多种优异特性，所以在产品更新换代时，常常会加入新材料的使用，以其独特的功能为卖点。例如华为通过将高能量密度的硅基材料加入电池中，来提升电池的耐用度。还将传统石墨电池替换成氮掺杂的碳材料，工作原理是给充电过程中为锂离子迁移提供了快捷通道，实现其快速充电。新材料的出现以及应用对工业行业的影响是巨大的。市场中主流新材料应用的变动，能反应出当今社会工业的升级、走向，以及人们生活的质量。

2工业设计中新材料的应用案例分析

工业设计可以根据行业、设计方向和设计理念等不同属性进行分类，一般来说，人们通常使用学科来进行分类，可以很清晰地了解到各科的相关信息。以行业进行分类，虽然这种分类使用较少，但是有利于分析新材料的应用情况。行业是丰富多彩的，有包括切割机、搬运机、粉碎机等设备在内的机械行业。本文从行业的角度对工业设计进行了粗略的分类，可以分为机械设备设计、电子产品设计、产品包装设计、医疗产品设计。

2.1机械设备设计机械臂———碳纤维

生活中的机械设备从高铁、火车到电脑、手表等大大小小随处可见。新材料广泛应用在机械设备设计中，有无声金属、碳素钢以及碳纤维等诸多种类。以机器人的机械臂为例，其主要采用的是碳纤维材料。碳纤维是由碳元素组成的一种特殊纤维[1]，突出特点是低密度和高强度，密度只有1.5~2g/cm3，所以常常用于大型的机械设备中，替换密度较大、质量较大的钢铁等合金，可以很大程度上提高其工作质量以及安全性。合金钢材料是机械臂的常见使用材料，具备质量轻、硬度强及成本低等特点。但是，机器人负载不仅要考虑工作时能够承受的最大载重，还包括零件和机械臂的重量。在许多精度高的工作中，机械臂质量的影响因素显得更加突出。与传统材料相比，碳纤维的成本稍高一些,但性能更坚固、更轻,而且比合成钢材料耐用。从长远来看，碳纤维材料的机械臂耐用，可以延长系统的整体使用寿命，降低设备所需普遍较高的维护成本，从而降低企业的运营成本，加快制造业机械化和自动化的步伐。以碳纤维机械臂为例进行具体分析，在夹持物体时，其高强度的物理属性可以保证将物品成功转移，主要体现在能承载物品重量范围的提高。而低密度，可以大大减少机械手的体积，操作起来更加灵活、快速，提高工作质量。同时，不可忽略其弹性模量，可以减少不必要由于机械臂笨重而带来的摩擦、碰撞等，大大延长其使用寿命。基于其高强度低密度的物理特性，可以大大减少碳纤维材料的使用，并且达到其预设的效果。碳纤维兼具各向异性以及优秀的抗压能力两大特征，适合加工成各种面料，呈现柔软效果的同时，也可以起到加固防护，可以用来修补残缺建筑。过程主要是以碳纤维为主，与树脂一起浸入渍胶中，然后涂于要修复的建筑表面，修复建筑表面的同时，增加其使用寿命。

2.2电子产品设计九阳电磁炉———微晶玻璃

新材料在电子元器中的作用至关重要，电子元器组装的电子产品可以分为两类，第一件是军用品，如火箭，战斗机以及侦测设备等。第二类是民用品，又可以细分许多种类，（1）生活类：冰箱、空调、微波炉、手机等；（2）专业类：摄像机、播控设备、各种电子仪器等；（3）休闲类：VR眼镜等智能电子产品。常用的新材料有硼墨烯、微晶玻璃、凯夫拉材料等。以九阳电磁炉为例，主要采用的新材料有微晶玻璃。九阳电磁炉过去大多使用加工过的陶瓷材料，表面会从粗糙变得光滑，硬度、强度会加强，但耐磨度、抗压能力一般，长期使用后会变色。微晶玻璃材料的电磁炉耐磨度高，抗压能力强，无杂质不变色，热胀冷缩系数低，手感光滑，易擦洗，其磁性和热传导的能力强，耐高温，不易破裂，外观与功能俱佳。因此，微晶玻璃材料受到消费者的青睐，成为电磁炉市场的主流。微晶玻璃材料在1000℃的高温下，材料特性仍可以发挥作用，保障电磁炉正常的使用。微晶玻璃材料具备可以调节的膨胀系数[2],甚至可以降为零。微晶玻璃热稳定性好，可以避免高速带来温度的影响，保障电磁炉的正常使用。此外电磁炉在热效率、绝缘防渗透性能、产品的工作性能和使用寿命长上都有很大的提高。微晶玻璃不仅在物理特性方面较突出，其安全性能方面也很可靠。微晶玻璃是由玻璃金属元素以及氧化物进行结晶辅助，再进行加热形成的，因此微晶玻璃的物理特性在兼具玻璃、陶瓷两者材料特点的基础上，具备更强的物理特性，可以应用在建筑、机械设备等领域。此外，还具有优异的电性能，可以进行工业产品甚至是艺术品的雕刻，为雕刻工艺提供了更多的选择。微晶玻璃在医疗行业中应用广泛。又如，生物医学材料上的应用到人体骨骼和温热治癌作用、或者加工成人工关节替代品等方面。

2.3产品包装设计食品包装袋———聚四氟乙烯

食品包装袋是产品包装设计中的一种，还有许多种类，如文具、衣物包装等。其中食品包装是对材料要求相对严格的，不仅要求可以直接接触食物，而且需要运输保存所需的功能。以酸奶包装为例，其中杯型包装过去常用的材料多为聚乙烯材料和聚苯乙烯材料两种。两种材料均耐低温、无味无毒，后者具有耐老化，对有机溶剂、矿物油具有耐受性，耐酸碱性能较好，价格便宜，性能适用性广，但没有解决酸奶沾杯的问题，反而使得“舔酸奶盖”的标签深入人心。经过改良后，酸奶杯壁所采用的材料就是以聚四氟乙烯为主，与硅油相互作用，再利用聚丙烯树脂混合，塑形定性，利用流延工艺拉膜，完成杯体包装的生产，这一工艺使得用户品尝时很容易饮用到底部的酸奶，优化了受众体验。聚四氟乙烯呈现的状态为半透明的白色蜡质，这一材质具备了超高的化学性能。在温度范围为-180～260℃的情况下，化学性能稳定，增强产品的安全性和稳定性。同时，聚四氟乙烯对酸碱有很强的耐性，这种卓越的抗酸碱性几乎可以在任何化学溶剂中保持原有的状态[3]。经过深入研究，基于这一材质耐高温的特点，发现聚四氟乙烯拥有相比其它包装材质更小的摩擦力，探索物理性能与化学性能的联动性,梳理总结，含量7%的硅油与8%聚四氟乙烯为主所生产出的主材料其防摩擦性能最为优越，可以用于润滑，尤其对塑造包装与流体、半流体之间不粘效果有着不可小觑的促进功能，基于这一功能的实现，在诸多物品的使用上可以达到节约的效用，比如：果汁、酒水、牙膏、机油、沐浴露、洗洁精、洗衣液等。而且几经加工，如今的聚四氟乙烯在实现产品润滑作用的方面大放异彩，在水道清洁、水管疏通、水箱除垢等相关清洁产品领域迅速占领市场。最后，聚四氟乙烯的医疗价值是广为瞩目的，因为这一材料的安全性、稳定性，在医学材料与人工器官领域的发展愈加广阔。

2.4医疗产品设计血糖仪———光子晶体材料

目前而言，在科技为基础，受众为中心，工艺为指导，市场为手段的医疗产品发展方向领域上，聚苹果酸、聚氯乙烯树脂、尼龙、聚烯烃等这些新型材料崭露头角，均具备良好的抗高压性、抗酸碱性、抗腐蚀性、抗高温性、抗低温性等，正是这些物理性质与化学特征的集中体现，使得医疗产品在功能研发、受众体验、市场发展上绽放光芒。比如生活中所熟悉的耳温枪、血压计、血糖仪等产品，操作便捷，功能全面，广受市场的欢迎。以血糖仪为例，市场上的产品大多采用电化学法与光发射法工作原理。光反射法是检测反应过程中试条的颜色变化来反应血糖值的，比较常见的就是FAD脱氢酶技术。光反射技术较为成熟，稳定，但在强光环境下操作会产生误差，而且高脂血症和高胆红素血症也会影响数据。电化学法血糖仪则不会受到上面两种因素的干扰，但是使用中的电脑、手机则会影响仪器的准确性。因此，在使用这类仪器进行血糖监测时，应避免仪器受到电磁辐射。相比传统的尿糖检测产品，光子晶体具备传感功能。这一材料在血糖监测功能的实现上深有裨益。这一功能特性使得该材料拥有高超的光感控制能力，光子晶体传感材料的应用给尿糖检测产品智能的光感控制能力[4]，强化了产品的灵敏度与准确性，强化了产品感应功能与预测功能。同时，不可忽视这种材料的环保特性，绿色无污染，提取方便，符合时势与政策的趋向，对可持续发展与新能源利用有着巨大的意义。光子晶体的突出特点是光子带隙，对于光子带隙来说，光子晶体与半导体的作用相似。缘于部分光子的不可穿透特性的存在，导致材料的光通道受破坏，这就造成光呈像的虚实效果。当然，在光子晶体的结构被特殊处理后，晶体的光通道成像效果提升，光学调节的能力得以质变。所以说，基于众多特性，得以合理利用，就能在多个领域利用光子晶体材料辞旧革新，对其深入挖掘，得到了众多企业与团队的认可，促进这一材料在工业领域、产品领域、科技领域等的广泛使用。

3结语

现代的科学技术迅速发展，给予人们更多的工具去合理开发充分应用新材料的特性。同时，新材料的发展方向可以参考工业设计相关领域的研究方向，两者息息相关，相互刺激与促进。新材料的发现对于工业设计行业是一个机遇与新的开始，给新材料的应用提供广阔空间的同时，使得工业的发展更上一个台阶。因此，在了解新材料物理特性的基础上，充分发挥主观能动性，将其特性充分运用在工业设计中，不断推进两者的发展进程。

参考文献:

[1]李建华,孟玉竹.碳纤维材料及应用[J].城市建设理论研究（电子版）,2012,000(036):1-3.

[2]张叔平,周晓白,章锦明,等.一种超低膨胀透明微晶玻璃以及该玻璃的连续压延法生产工艺[P],CN100554200C.2009.

[3]吴立军,王云霞,来辰,等.一种飞秒激光制备表面增强拉曼散射基底的方[P].201711318353.2018.

[4]乔宇,胡辰韬.基于分子传感材料的智能医疗产品设计研究[J].包装工程,2021,42(10):8.

作者:杜梦瑶 单位:常州大学美术与设计学院