淺談新材料在工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用

杜夢瑤

（常州大學(xué)美術(shù)與設(shè)計學(xué)院,江蘇 常州 213159）

前言

近年來，市場上的產(chǎn)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(xí)慣，考慮生理以及心理的需求。市場上的產(chǎn)品展現(xiàn)出各種新材料的物理、化學(xué)以及感官特性，極大地照顧到人們的生活體驗。從歷史經(jīng)驗來看，新材料的出現(xiàn)及應(yīng)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(fā)展中新材料與科技革命的關(guān)系，展示新材料的作用。

1 新材料

1.1 新材料的發(fā)展與科技革命

與傳統(tǒng)材料相比，新材料主要在兩方面體現(xiàn)出優(yōu)勢，其一是具備特殊的功能特性，被發(fā)現(xiàn)時就擁有的，可以進一步掌控并加以利用。其二是在傳統(tǒng)材料的基礎(chǔ)上經(jīng)過技術(shù)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(yīng)用情況可以直接顯示出時代的發(fā)展水平。

新材料經(jīng)過了漫長的發(fā)展史，從被發(fā)現(xiàn)，然后不斷優(yōu)化，最后到實際應(yīng)用，經(jīng)歷了漫長的時間。比如：1903 年的不碎玻璃，1911 年的超導(dǎo)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(dǎo)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(jīng)投入生產(chǎn)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(gòu)成物質(zhì)的基礎(chǔ)，而物質(zhì)是人類經(jīng)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(fā)展中，一種材料的出現(xiàn)，帶動科技革命的發(fā)展，從而推動中國的工業(yè)進步，這種規(guī)律是顯而易見的。如18 世紀60 年代，鋼鐵等金屬材料的出現(xiàn)并應(yīng)用開啟了機械制造時代，這一時期出現(xiàn)了大量的機械設(shè)備，包括紡織機械、內(nèi)燃機和蒸汽機，實現(xiàn)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(fā)明了電機驅(qū)動的機器，大規(guī)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(dǎo)體、硅等材料應(yīng)用到互聯(lián)網(wǎng)中，步入了電子信息化時代；21 世紀，工業(yè)的迅速進展，進入了現(xiàn)實與虛擬網(wǎng)絡(luò)世界相互交融發(fā)展的時代。同時出現(xiàn)的許多人工智能設(shè)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(yè)設(shè)計的應(yīng)用現(xiàn)狀

在工業(yè)設(shè)計迅猛發(fā)展的勢頭下，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期不斷縮短，應(yīng)用材料的轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)的發(fā)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(wèi)星、高鐵，小到手中的手機、平板電腦。新材料具有物理、化學(xué)以及感官功能等多種優(yōu)異特性，所以在產(chǎn)品更新?lián)Q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(tǒng)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(xiàn)其快速充電。

新材料的出現(xiàn)以及應(yīng)用對工業(yè)行業(yè)的影響是巨大的。市場中主流新材料應(yīng)用的變動，能反應(yīng)出當(dāng)今社會工業(yè)的升級、走向，以及人們生活的質(zhì)量。

2 工業(yè)設(shè)計中新材料的應(yīng)用案例分析

工業(yè)設(shè)計可以根據(jù)行業(yè)、設(shè)計方向和設(shè)計理念等不同屬性進行分類，一般來說，人們通常使用學(xué)科來進行分類，可以很清晰地了解到各科的相關(guān)信息。以行業(yè)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(yīng)用情況。行業(yè)是豐富多彩的，有包括切割機、搬運機、粉碎機等設(shè)備在內(nèi)的機械行業(yè)。本文從行業(yè)的角度對工業(yè)設(shè)計進行了粗略的分類，可以分為機械設(shè)備設(shè)計、電子產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品包裝設(shè)計、醫(yī)療產(chǎn)品設(shè)計。

2.1 機械設(shè)備設(shè)計 機械臂——碳纖維

生活中的機械設(shè)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(yīng)用在機械設(shè)備設(shè)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1.5～2 g/cm3，所以常常用于大型的機械設(shè)備中，替換密度較大、質(zhì)量較大的鋼鐵等合金，可以很大程度上提高其工作質(zhì)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(zhì)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(zhì)量的影響因素顯得更加突出。與傳統(tǒng)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(tǒng)的整體使用壽命，降低設(shè)備所需普遍較高的維護成本，從而降低企業(yè)的運營成本，加快制造業(yè)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(zhuǎn)移，主要體現(xiàn)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(zhì)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?；谄涓邚姸鹊兔芏鹊奈锢硖匦?，可以大大減少碳纖維材料的使用，并且達到其預(yù)設(shè)的效果。

碳纖維兼具各向異性以及優(yōu)秀的抗壓能力兩大特征，適合加工成各種面料，呈現(xiàn)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(fù)的建筑表面，修復(fù)建筑表面的同時，增加其使用壽命。

2.2 電子產(chǎn)品設(shè)計 九陽電磁爐——微晶玻璃

新材料在電子元器中的作用至關(guān)重要，電子元器組裝的電子產(chǎn)品可以分為兩類，第一件是軍用品，如火箭，戰(zhàn)斗機以及偵測設(shè)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(diào)、微波爐、手機等；（2）專業(yè)類：攝像機、播控設(shè)備、各種電子儀器等；（3）休閑類：VR 眼鏡等智能電子產(chǎn)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(zhì)不變色，熱脹冷縮系數(shù)低，手感光滑，易擦洗，其磁性和熱傳導(dǎo)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(fā)揮作用，保障電磁爐正常的使用。微晶玻璃材料具備可以調(diào)節(jié)的膨脹系數(shù)[2],甚至可以降為零。微晶玻璃熱穩(wěn)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(chǎn)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(jié)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(chǔ)上，具備更強的物理特性，可以應(yīng)用在建筑、機械設(shè)備等領(lǐng)域。此外，還具有優(yōu)異的電性能，可以進行工業(yè)產(chǎn)品甚至是藝術(shù)品的雕刻，為雕刻工藝提供了更多的選擇。微晶玻璃在醫(yī)療行業(yè)中應(yīng)用廣泛。又如，生物醫(yī)學(xué)材料上的應(yīng)用到人體骨骼和溫?zé)嶂伟┳饔?、或者加工成人工關(guān)節(jié)替代品等方面。

2.3 產(chǎn)品包裝設(shè)計 食品包裝袋——聚四氟乙烯

食品包裝袋是產(chǎn)品包裝設(shè)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(jīng)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(chǎn)，這一工藝使得用戶品嘗時很容易飲用到底部的酸奶，優(yōu)化了受眾體驗。

聚四氟乙烯呈現(xiàn)的狀態(tài)為半透明的白色蠟質(zhì)，這一材質(zhì)具備了超高的化學(xué)性能。在溫度范圍為-180～260 ℃的情況下，化學(xué)性能穩(wěn)定，增強產(chǎn)品的安全性和穩(wěn)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(xué)溶劑中保持原有的狀態(tài)[3]。經(jīng)過深入研究，基于這一材質(zhì)耐高溫的特點，發(fā)現(xiàn)聚四氟乙烯擁有相比其它包裝材質(zhì)更小的摩擦力，探索物理性能與化學(xué)性能的聯(lián)動性,梳理總結(jié)，含量7%的硅油與8%聚四氟乙烯為主所生產(chǎn)出的主材料其防摩擦性能最為優(yōu)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(xiàn)，在諸多物品的使用上可以達到節(jié)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?guī)捉?jīng)加工，如今的聚四氟乙烯在實現(xiàn)產(chǎn)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(guān)清潔產(chǎn)品領(lǐng)域迅速占領(lǐng)市場。

最后，聚四氟乙烯的醫(yī)療價值是廣為矚目的，因為這一材料的安全性、穩(wěn)定性，在醫(yī)學(xué)材料與人工器官領(lǐng)域的發(fā)展愈加廣闊。

2.4 醫(yī)療產(chǎn)品設(shè)計 血糖儀——光子晶體材料

目前而言，在科技為基礎(chǔ)，受眾為中心，工藝為指導(dǎo)，市場為手段的醫(yī)療產(chǎn)品發(fā)展方向領(lǐng)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(zhì)與化學(xué)特征的集中體現(xiàn)，使得醫(yī)療產(chǎn)品在功能研發(fā)、受眾體驗、市場發(fā)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(chǎn)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(chǎn)品大多采用電化學(xué)法與光發(fā)射法工作原理。光反射法是檢測反應(yīng)過程中試條的顏色變化來反應(yīng)血糖值的，比較常見的就是FAD 脫氫酶技術(shù)。光反射技術(shù)較為成熟，穩(wěn)定，但在強光環(huán)境下操作會產(chǎn)生誤差，而且高脂血癥和高膽紅素血癥也會影響數(shù)據(jù)。電化學(xué)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(jiān)測時，應(yīng)避免儀器受到電磁輻射。

相比傳統(tǒng)的尿糖檢測產(chǎn)品，光子晶體具備傳感功能。這一材料在血糖監(jiān)測功能的實現(xiàn)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(yīng)用給尿糖檢測產(chǎn)品智能的光感控制能力[4]，強化了產(chǎn)品的靈敏度與準確性，強化了產(chǎn)品感應(yīng)功能與預(yù)測功能。同時，不可忽視這種材料的環(huán)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(xù)發(fā)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(dǎo)體的作用相似。緣于部分光子的不可穿透特性的存在，導(dǎo)致材料的光通道受破壞，這就造成光呈像的虛實效果。當(dāng)然，在光子晶體的結(jié)構(gòu)被特殊處理后，晶體的光通道成像效果提升，光學(xué)調(diào)節(jié)的能力得以質(zhì)變。所以說，基于眾多特性，得以合理利用，就能在多個領(lǐng)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(yè)與團隊的認可，促進這一材料在工業(yè)領(lǐng)域、產(chǎn)品領(lǐng)域、科技領(lǐng)域等的廣泛使用。

結(jié)語

現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，給予人們更多的工具去合理開發(fā)充分應(yīng)用新材料的特性。同時，新材料的發(fā)展方向可以參考工業(yè)設(shè)計相關(guān)領(lǐng)域的研究方向，兩者息息相關(guān)，相互刺激與促進。新材料的發(fā)現(xiàn)對于工業(yè)設(shè)計行業(yè)是一個機遇與新的開始，給新材料的應(yīng)用提供廣闊空間的同時，使得工業(yè)的發(fā)展更上一個臺階。因此，在了解新材料物理特性的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮主觀能動性，將其特性充分運用在工業(yè)設(shè)計中，不斷推進兩者的發(fā)展進程。