新材料在工業設計中應用淺談

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摘要：材料是工業設計發展的基礎，應用范圍廣闊，在各領域中都能看到新材料大放光彩。文章簡述了新材料與科技革命之間的聯系，然后介紹了當下新材料在各個行業中的應用情況，并對各領域中新材料的應用進行了具體的案例分析，使人們對新材料的認識更加深入。新材料的應用，不僅可以推動工業設計各領域各行業的發展，同時也可以推動自身的發展。此外，新材料性能的充分利用，可以便捷日常的生活方式，提高人們的幸福指數。

關鍵詞：新材料；科技革命；工業設計

前言

近年來，市場上的產品琳瑯滿目，遠不是過去種類功能單一、色彩簡單，而是更加注重人們的喜好以及日常生活習慣，考慮生理以及心理的需求。市場上的產品展現出各種新材料的物理、化學以及感官特性，極大地照顧到人們的生活體驗。從歷史經驗來看，新材料的出現及應用會促進一個時代的繁榮，材料影響并改善人類的生活條件和生活方式。本文將以新材料為主體，簡單論述社會發展中新材料與科技革命的關系，展示新材料的作用。

1新材料

1.1新材料的發展與科技革命

與傳統材料相比，新材料主要在兩方面體現出優勢，其一是具備特殊的功能特性，被發現時就擁有的，可以進一步掌控并加以利用。其二是在傳統材料的基礎上經過技術的處理，使其某物理特性加強。因此，對特性的加工以及利用十分考驗時代的科技能力，故而新材料的應用情況可以直接顯示出時代的發展水平。新材料經過了漫長的發展史，從被發現，然后不斷優化，最后到實際應用，經歷了漫長的時間。比如：1903年的不碎玻璃，1911年的超導體，1920年的超塑性合金，1938年的聚四氟乙烯，1959年的金屬玻璃，1963年的記憶金屬，1974年的貯氫合金，1977年的導電塑料，1984年的納米材料，2004年的石墨烯等等，大量新材料已經投入生產并走進生活中，在不知不覺中已熟練使用，給人們提供便利。材料是構成物質的基礎，而物質是人類經濟社會進步的推動力，所以材料從一定的程度上推動著社會的進步。在人類歷史發展中，一種材料的出現，帶動科技革命的發展，從而推動中國的工業進步，這種規律是顯而易見的。如18世紀60年代，鋼鐵等金屬材料的出現并應用開啟了機械制造時代，這一時期出現了大量的機械設備，包括紡織機械、內燃機和蒸汽機，實現了工廠機械化；一百年后，進入了電氣化與自動化時代，電磁、絕緣等材料被廣泛使用，發明了電機驅動的機器，大規模地取代手工勞動，極大程度地解放了人們的雙手；20世紀，隨著半導體、硅等材料應用到互聯網中，步入了電子信息化時代；21世紀，工業的迅速進展，進入了現實與虛擬網絡世界相互交融發展的時代。同時出現的許多人工智能設備，需要得到更新材料的支持，如納米材料、單原子石墨烯和其它新材料。

1.2新材料在工業設計的應用現狀

在工業設計迅猛發展的勢頭下，產品更新換代的周期不斷縮短，應用材料的轉變為工業的發展提供更多的可能性和機遇。在人們生活中，新材料的痕跡無處不在，大到氣象衛星、高鐵，小到手中的手機、平板電腦。新材料具有物理、化學以及感官功能等多種優異特性，所以在產品更新換代時，常常會加入新材料的使用，以其獨特的功能為賣點。例如華為通過將高能量密度的硅基材料加入電池中，來提升電池的耐用度。還將傳統石墨電池替換成氮摻雜的碳材料，工作原理是給充電過程中為鋰離子遷移提供了快捷通道，實現其快速充電。新材料的出現以及應用對工業行業的影響是巨大的。市場中主流新材料應用的變動，能反應出當今社會工業的升級、走向，以及人們生活的質量。

2工業設計中新材料的應用案例分析

工業設計可以根據行業、設計方向和設計理念等不同屬性進行分類，一般來說，人們通常使用學科來進行分類，可以很清晰地了解到各科的相關信息。以行業進行分類，雖然這種分類使用較少，但是有利于分析新材料的應用情況。行業是豐富多彩的，有包括切割機、搬運機、粉碎機等設備在內的機械行業。本文從行業的角度對工業設計進行了粗略的分類，可以分為機械設備設計、電子產品設計、產品包裝設計、醫療產品設計。

2.1機械設備設計機械臂———碳纖維

生活中的機械設備從高鐵、火車到電腦、手表等大大小小隨處可見。新材料廣泛應用在機械設備設計中，有無聲金屬、碳素鋼以及碳纖維等諸多種類。以機器人的機械臂為例，其主要采用的是碳纖維材料。碳纖維是由碳元素組成的一種特殊纖維[1]，突出特點是低密度和高強度，密度只有1.5~2g/cm3，所以常常用于大型的機械設備中，替換密度較大、質量較大的鋼鐵等合金，可以很大程度上提高其工作質量以及安全性。合金鋼材料是機械臂的常見使用材料，具備質量輕、硬度強及成本低等特點。但是，機器人負載不僅要考慮工作時能夠承受的最大載重，還包括零件和機械臂的重量。在許多精度高的工作中，機械臂質量的影響因素顯得更加突出。與傳統材料相比，碳纖維的成本稍高一些,但性能更堅固、更輕,而且比合成鋼材料耐用。從長遠來看，碳纖維材料的機械臂耐用，可以延長系統的整體使用壽命，降低設備所需普遍較高的維護成本，從而降低企業的運營成本，加快制造業機械化和自動化的步伐。以碳纖維機械臂為例進行具體分析，在夾持物體時，其高強度的物理屬性可以保證將物品成功轉移，主要體現在能承載物品重量范圍的提高。而低密度，可以大大減少機械手的體積，操作起來更加靈活、快速，提高工作質量。同時，不可忽略其彈性模量，可以減少不必要由于機械臂笨重而帶來的摩擦、碰撞等，大大延長其使用壽命。基于其高強度低密度的物理特性，可以大大減少碳纖維材料的使用，并且達到其預設的效果。碳纖維兼具各向異性以及優秀的抗壓能力兩大特征，適合加工成各種面料，呈現柔軟效果的同時，也可以起到加固防護，可以用來修補殘缺建筑。過程主要是以碳纖維為主，與樹脂一起浸入漬膠中，然后涂于要修復的建筑表面，修復建筑表面的同時，增加其使用壽命。

2.2電子產品設計九陽電磁爐———微晶玻璃

新材料在電子元器中的作用至關重要，電子元器組裝的電子產品可以分為兩類，第一件是軍用品，如火箭，戰斗機以及偵測設備等。第二類是民用品，又可以細分許多種類，（1）生活類：冰箱、空調、微波爐、手機等；（2）專業類：攝像機、播控設備、各種電子儀器等；（3）休閑類：VR眼鏡等智能電子產品。常用的新材料有硼墨烯、微晶玻璃、凱夫拉材料等。以九陽電磁爐為例，主要采用的新材料有微晶玻璃。九陽電磁爐過去大多使用加工過的陶瓷材料，表面會從粗糙變得光滑，硬度、強度會加強，但耐磨度、抗壓能力一般，長期使用后會變色。微晶玻璃材料的電磁爐耐磨度高，抗壓能力強，無雜質不變色，熱脹冷縮系數低，手感光滑，易擦洗，其磁性和熱傳導的能力強，耐高溫，不易破裂，外觀與功能俱佳。因此，微晶玻璃材料受到消費者的青睞，成為電磁爐市場的主流。微晶玻璃材料在1000℃的高溫下，材料特性仍可以發揮作用，保障電磁爐正常的使用。微晶玻璃材料具備可以調節的膨脹系數[2],甚至可以降為零。微晶玻璃熱穩定性好，可以避免高速帶來溫度的影響，保障電磁爐的正常使用。此外電磁爐在熱效率、絕緣防滲透性能、產品的工作性能和使用壽命長上都有很大的提高。微晶玻璃不僅在物理特性方面較突出，其安全性能方面也很可靠。微晶玻璃是由玻璃金屬元素以及氧化物進行結晶輔助，再進行加熱形成的，因此微晶玻璃的物理特性在兼具玻璃、陶瓷兩者材料特點的基礎上，具備更強的物理特性，可以應用在建筑、機械設備等領域。此外，還具有優異的電性能，可以進行工業產品甚至是藝術品的雕刻，為雕刻工藝提供了更多的選擇。微晶玻璃在醫療行業中應用廣泛。又如，生物醫學材料上的應用到人體骨骼和溫熱治癌作用、或者加工成人工關節替代品等方面。

2.3產品包裝設計食品包裝袋———聚四氟乙烯

食品包裝袋是產品包裝設計中的一種，還有許多種類，如文具、衣物包裝等。其中食品包裝是對材料要求相對嚴格的，不僅要求可以直接接觸食物，而且需要運輸保存所需的功能。以酸奶包裝為例，其中杯型包裝過去常用的材料多為聚乙烯材料和聚苯乙烯材料兩種。兩種材料均耐低溫、無味無毒，后者具有耐老化，對有機溶劑、礦物油具有耐受性，耐酸堿性能較好，價格便宜，性能適用性廣，但沒有解決酸奶沾杯的問題，反而使得“舔酸奶蓋”的標簽深入人心。經過改良后，酸奶杯壁所采用的材料就是以聚四氟乙烯為主，與硅油相互作用，再利用聚丙烯樹脂混合，塑形定性，利用流延工藝拉膜，完成杯體包裝的生產，這一工藝使得用戶品嘗時很容易飲用到底部的酸奶，優化了受眾體驗。聚四氟乙烯呈現的狀態為半透明的白色蠟質，這一材質具備了超高的化學性能。在溫度范圍為-180～260℃的情況下，化學性能穩定，增強產品的安全性和穩定性。同時，聚四氟乙烯對酸堿有很強的耐性，這種卓越的抗酸堿性幾乎可以在任何化學溶劑中保持原有的狀態[3]。經過深入研究，基于這一材質耐高溫的特點，發現聚四氟乙烯擁有相比其它包裝材質更小的摩擦力，探索物理性能與化學性能的聯動性,梳理總結，含量7%的硅油與8%聚四氟乙烯為主所生產出的主材料其防摩擦性能最為優越，可以用于潤滑，尤其對塑造包裝與流體、半流體之間不粘效果有著不可小覷的促進功能，基于這一功能的實現，在諸多物品的使用上可以達到節約的效用，比如：果汁、酒水、牙膏、機油、沐浴露、洗潔精、洗衣液等。而且幾經加工，如今的聚四氟乙烯在實現產品潤滑作用的方面大放異彩，在水道清潔、水管疏通、水箱除垢等相關清潔產品領域迅速占領市場。最后，聚四氟乙烯的醫療價值是廣為矚目的，因為這一材料的安全性、穩定性，在醫學材料與人工器官領域的發展愈加廣闊。

2.4醫療產品設計血糖儀———光子晶體材料

目前而言，在科技為基礎，受眾為中心，工藝為指導，市場為手段的醫療產品發展方向領域上，聚蘋果酸、聚氯乙烯樹脂、尼龍、聚烯烴等這些新型材料嶄露頭角，均具備良好的抗高壓性、抗酸堿性、抗腐蝕性、抗高溫性、抗低溫性等，正是這些物理性質與化學特征的集中體現，使得醫療產品在功能研發、受眾體驗、市場發展上綻放光芒。比如生活中所熟悉的耳溫槍、血壓計、血糖儀等產品，操作便捷，功能全面，廣受市場的歡迎。以血糖儀為例，市場上的產品大多采用電化學法與光發射法工作原理。光反射法是檢測反應過程中試條的顏色變化來反應血糖值的，比較常見的就是FAD脫氫酶技術。光反射技術較為成熟，穩定，但在強光環境下操作會產生誤差，而且高脂血癥和高膽紅素血癥也會影響數據。電化學法血糖儀則不會受到上面兩種因素的干擾，但是使用中的電腦、手機則會影響儀器的準確性。因此，在使用這類儀器進行血糖監測時，應避免儀器受到電磁輻射。相比傳統的尿糖檢測產品，光子晶體具備傳感功能。這一材料在血糖監測功能的實現上深有裨益。這一功能特性使得該材料擁有高超的光感控制能力，光子晶體傳感材料的應用給尿糖檢測產品智能的光感控制能力[4]，強化了產品的靈敏度與準確性，強化了產品感應功能與預測功能。同時，不可忽視這種材料的環保特性，綠色無污染，提取方便，符合時勢與政策的趨向，對可持續發展與新能源利用有著巨大的意義。光子晶體的突出特點是光子帶隙，對于光子帶隙來說，光子晶體與半導體的作用相似。緣于部分光子的不可穿透特性的存在，導致材料的光通道受破壞，這就造成光呈像的虛實效果。當然，在光子晶體的結構被特殊處理后，晶體的光通道成像效果提升，光學調節的能力得以質變。所以說，基于眾多特性，得以合理利用，就能在多個領域利用光子晶體材料辭舊革新，對其深入挖掘，得到了眾多企業與團隊的認可，促進這一材料在工業領域、產品領域、科技領域等的廣泛使用。

3結語

現代的科學技術迅速發展，給予人們更多的工具去合理開發充分應用新材料的特性。同時，新材料的發展方向可以參考工業設計相關領域的研究方向，兩者息息相關，相互刺激與促進。新材料的發現對于工業設計行業是一個機遇與新的開始，給新材料的應用提供廣闊空間的同時，使得工業的發展更上一個臺階。因此，在了解新材料物理特性的基礎上，充分發揮主觀能動性，將其特性充分運用在工業設計中，不斷推進兩者的發展進程。

參考文獻:

[1]李建華,孟玉竹.碳纖維材料及應用[J].城市建設理論研究（電子版）,2012,000(036):1-3.

[2]張叔平,周曉白,章錦明,等.一種超低膨脹透明微晶玻璃以及該玻璃的連續壓延法生產工藝[P],CN100554200C.2009.

[3]吳立軍,王云霞,來辰,等.一種飛秒激光制備表面增強拉曼散射基底的方[P].201711318353.2018.

[4]喬宇,胡辰韜.基于分子傳感材料的智能醫療產品設計研究[J].包裝工程,2021,42(10):8.

作者:杜夢瑤 單位:常州大學美術與設計學院