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第二节、材料的性能与规划
材料是人类用以制成生活和生产中的物品、器件、构件、机器和其他产品的物质，它是人类生存和发展的物质基础，是人类社会现代文明的重要支柱。
任务一
探究材料的性能与应用
材料是产品设计的物质条件，是产品设计的基础和前提。材料以其自身的特性影响着产品设计，维持产品功能的形态，满足产品功能的要求。
通过炊具发展史，我们可以发现：从原始社会到现代社会，炊具经历了石制品、陶制品、青铜器具、铁具、瓷器以及铝合金制品、不锈钢制品等，在不同的历史时期，所选用材料的性能特点不同，制造出的炊具就具有不同的形态和功能。材料的合理选择对于产品设计具有重大影响。
材料的分类
在工程领域，一般将材料按化学成分分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料四大类。
木材、金属材料、塑料等都是常见的材料。
木材是一种优良的造型材料，自古以来，它一直是最广泛最常用的传统材料，其自然、朴素的特性令人产生亲切感，被认为是最富于人性特征的材料。木材质轻，有天然的色泽和美丽的花纹，具有易于加工和涂饰、隔热与绝缘的特点。由天然木材制成的作品，纹理美观，自然淳朴。
一、木材
木材能够广泛应用的原因之一，是其具有较好的强度性能及优良的加工性能。
强度是评定材料质量的重要力学性能指标，是设计中选用材料的主要依据之一。
材料的强度是指材料抵抗变形和断裂的能力。
根据受力种类的不同，分为抗压、抗拉、抗弯、抗剪等。
实木板材是指采用完整的木材（原木）制成的木板材。实木材料具有各向异性的特点，在自然条件下具有吸湿而膨胀、解吸而收缩的特性。木材暴露在空气中时，容易受温度和湿度的影响，发生尺寸、形状和强度的变化，导致变形、开裂、扭曲和翘曲等现象。
木材可分为实木板材和人造板材。
实木板材
实木板材坚固耐用、纹路自然，大都具有天然木材特有的芳香，具有较好的吸湿性和透气性，有益于人体健康，不造成环境污染，是制作高档家具、门、窗、实木雕刻等房屋装修的优质木材。一些特殊材质(如榉木)的实木板还是制造枪托、精密仪表的理想材料。对于实木板来说，它的突出特点是环保性，因为它的甲醛释放量还不到国家标准的五分之一，而且使用的材料也相当环保，所以和其他的比起来会更加环保而且健康一些。而对于实木板来说，可能因为它天然材料的性质，所以会比较容易受到虫蛀也可能会有裂缝。
各向异性亦称“非均质性”，是指物体的全部或部分性能随方向的不同而各自表现出一定的差
异的特性，即在不同的方向所测得的性能数值不同。
小辞典
各向异性
人造板材有密度板、刨花板、胶合板、细木工板、三聚氰胺板等，人造板材在幅面方向上的尺寸稳定性好，较实木而言适用范围更广。
密度板
特点密度板表面光滑平整、材质细密、性能稳定、边缘牢固，而且板材表面的装饰性好。但密度板耐潮性较差。且相比之下，密度板的握钉力较刨花板差，螺钉旋紧后如果发生松动，在同一位置很难再固定。主要用于强化木地板、门板、隔墙、家具等,密度板在家装中主要用于混油工艺的表面处理；一般做家具用的都是中密度板,因为高密度板密度太高,很容易开裂，所以没有办法做家具。一般高密度板都是用来做室内外装潢、办公和民用家具、音响、车辆内部装饰，还可用作计算机房抗静电地板、护墙板、防盗门、墙板、隔板等的制作材料。它还是包装的良好材料。未来更是作为基材用于制作强化木地板等。
中密度纤维板木材制造工艺
刨花板
刨花板是天然木材粉碎成颗料状后，再经黏合压制而成，因其剖面类似蜂窝状，所以称为刨花板。刨花板绝热、吸声，抗弯性和抗拉性较差，密度疏松易松动。主要用于绝热、吸声或吊顶、制作普通家具等。目前，很多厂家生产出的家具都采用刨花板，也是橱柜的主要材料。刨花板表面常以三聚氰胺饰面双面压合，经封边处理后与中密度板的外观相同，采用专用的连接件组装，可拆卸
刨花板生产过程
胶合板
胶合板：胶合板是由三层或多层一毫米左右的实木单板或薄板胶贴热压制成，常见的有三夹板、五夹板、九夹板和十二夹板（俗称三合板，五厘板，九厘板，十二厘板）。
特点：结构强度好，稳定性好。胶合板含胶量大，施工时要做好封边处理，减少污染。
用途：用于木质制品的背板、底板等。由于厚薄尺度多样，质地柔韧，易弯曲，也可以配合细木工板用于结构细腻处弥补大芯板厚度的缺陷。
胶合板制造工艺
细木工板
细木工板俗称大芯板，是由两片单板中间胶压拼接木板而成，钉力好，强度高，具有质坚、吸声、绝热等特点，且含水率在10%—13%之间，加工简便，给人以实木感。主要应用于家俱制造、门窗及套、隔断、假墙、暖气罩、窗帘盒门板、壁板等，是家居装修中广受欢迎的一种板材。
细木工板工艺
三聚氰胺板
三聚氰胺饰面板又叫做三聚氰胺板、
双饰面板、免漆板，行业内比较喜欢叫生态板。是将带有不同颜色或纹理的纸放入三聚氰胺树脂胶粘剂中浸泡，
然后干燥到一定固化程度，
将其铺装在刨花板、防潮板、中密度纤维板、胶合板、细木工板或其他硬质纤维板表面，
经热压而成的装饰板。
特点：1．可以任意仿制各种图案，色泽鲜明，用作各种人造板和木材的贴面，硬度大，耐磨，耐热性好。
2．耐化学药品性能一般，
能抵抗一般的酸、碱、油脂及酒精等溶剂的磨蚀。
3．表面平滑光洁，容易维护清洗。
4．表面平整、因为板材双面膨胀系数相同而不易变形、颜色鲜艳、表面较耐磨、耐腐蚀，价格经济。
用途：
三聚氰胺板具备天然木材所不能兼备的优异性能，故常用于室内建筑及各种家具、橱柜的装饰上，一些面板，墙面，柜面，柜层板等。三聚氰胺板是一种墙面装饰材料。
市场上面向家庭的三聚氰胺板式家具多以中密度板和刨花板为基材，相比之下，细木工板的性能优于前两者。细木工板内部结构均匀，结合力大，变形小，表面平整度好，
握钉力强。因此，用细木工板做基材的三聚氰胺饰面板更坚固耐用，更能发挥板式家具抵御拼装的特点。
中密度板和刨花板的质地相对疏松，
握钉力差，较前者造价低。
三聚氰胺板贴面过程
思维碰撞
1．哪些环境条件下不适合用实木？
2．日常生活中实木制品的哪些现象可以用各向异性的特点来解释？
第2题：如实木地板开裂、翘曲，实木家具变形、扭曲等。
第1题：木材的自然属性决定了实木会受到环境湿度的影响而产生形状上的变化，因此温、湿度变化较大的环境不适合用实木，如户外、过于潮湿或干燥的环境等。
二、金属材料
金属材料是指由纯金属或合金构成的材料，具有金属光泽，有良好的导热和导电性能，以及优良的力学性能和可加工性能。
铜材
铝型材
钢材
抗拉强度一般被作为判别金属强度的指标，这是为什么？
金属材料的力学性能主要包括强度、刚度、硬度等，一般以抗拉强度作为判别金属强度的指标。
思维碰撞
因为各种强度之间有一定联系，一般来说抗拉强度高，其他强度也高。
第1题：因为不同材质金属丝的硬度不同。
第2题：因为钢丝钳的硬度比铁丝更高。
硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标，它直接影响材料的耐磨性和切削加工性。硬度往往和材料的耐磨性和耐久性联系在一起。一般情况下，材料的硬度越高，其耐磨性越好。车床、铣床上用于金属加工的刀具，其材料必须要有很高的强度和硬度。
车床，刀具
铣床，刀具
先进的高精度车床金属加工
CNC高速铣削，完美金属加工
第1题：要用到具备耐磨、耐腐蚀、持久耐用等特点的用具的环境，如要用到划针、样冲、玻璃刀、钢锯、钻头等的使用环境。
第2题：不是。硬度大是指金属材料抵抗更硬的物体压人其内的能力强，而材料坚固一般指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力强，即材料的强度高，二者有区别。
塑料的发展史
“赛璐珞”（Celluloid）是人类历史上第一种合成塑料。1869年，美国的海亚特把硝化纤维、樟脑和乙醇的混合物在高压下共热，然后在常压下硬化成型制出的。
从第一个塑料产品赛璐珞诞生算起，塑料工业迄今已有150年的历史。其发展历史可分为三个阶段
天然高分子加工阶段
第一种完全人工合成的塑料是在1909年由美国人贝克兰用苯酚和甲醛制造的酚醛树脂，又称贝克兰塑料。
进入50年代，从石油裂解而得的烯烃主要包括乙烯与丙烯，德国人齐格勒与意大利人纳塔分别在1952年和在1957年发明用金属络合催化剂合成低压聚乙烯与聚丙烯的方法。
合成树脂阶段
大发展阶段
塑料是一种具有多种特性的材料。它原料来源广，性能优良（质轻、具有绝缘性、耐腐蚀性等），加工成型方便，具有装饰性，而且价格比较低廉，广泛应用于仪器、仪表、家用电器、包装及日常生活用品等各领域。
三、塑料
仪器
仪表
家用电器
包装
日常生活用品
塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料。
1、热塑性塑料是指在一定的温度范围内，能反复加热软化至熔融流动，冷却后能硬化成一定形状的塑料。
热塑性塑料受热后可多次成型，废料可回收再利用。
加热软化至熔融流动
模具
2、热固性塑料是指在初次成型后形状固化下来，不能再次热熔或软化的塑料。
在隔热、耐磨、绝缘、耐高压电等恶劣环境中使用的塑料，大部分是热固性塑料。
新材料是指新出现的具有优异性能或特殊功能的材料，或是传统材料改进后性能明显提高或产生新功能的材料，如超导材料、碳纤维、石墨烯、柔性玻璃、形状记忆合金等。
四、新材料
超导材料
碳纤维
石墨烯
柔性玻璃
形状记忆合金
讨论：新材料还有新型陶瓷材料、非晶态合金（金属玻璃）、光纤、纳米材料等。使用新材料的制品有用超导材料制成的磁悬浮列车、通信电缆、石墨烯手机、用柔性玻璃制造的太阳能电池板、用形状记忆合金材料制成的牙齿矫形丝等。
新型陶瓷材料
非晶态合金（金属玻璃）
光纤
纳米材料
用形状记忆合金材料制成的牙齿矫形丝
讨论：形状记忆合金材料是指加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形，恢复其变形前原始形状的合金材料，可以应用在医疗、航空航天、日常生活等领域，制作的产品包括脊柱矫形支架、机械结构中的连接套管、机械手、超弹性眼镜架、空间站的天线连接杆等，主要解决产品需要在不同温度条件下使用且能借助变形来实现某些功能的问题。
《考工记》记载：
“天有时，地有气，材有美，工有巧，合此四者然后可以为良。”由此看出，古人很早就意识到材料选择的重要性。材料选用适当与否，直接影响着产品的内在功能和外观质量。
任务二
选择和规划材料
任何一个产品设计，只有选用材料的性能特点与其加工工艺性能相一致，才能实现设计的目的和要求。
选择材料时，要综合考虑材料的性能、材料的工艺性以及材料的成本等因素。
在产品设计选择材料时，首先应该考虑材料的性能是否能满足产品的使用功能、使用环境、结构要求等。
一、材料的性能
例如，设计微波餐具，就要选择耐高温的材料，如塑料、陶瓷、玻璃；设计空调支架，就要选用抗压的材料，如金属材料；设计交通工具，就要选用强度性能高的材料，如工程塑料或者金属材料等。
第1题：若材料的性能不能满足产品的要求会带来严重后果，轻则产品性能不好，质量不过关，重则出现安全事故，造成人员伤亡或财产损失。
第2题：选择台灯材料时，应主要从材料的强度、绝缘性、便于加工等方面考虑台灯制作材料的性能。
选择材料时，还需要考虑材料应具有良好的加工性能，符合造型设计中成型工艺、加工工艺和表面处理的要求，优先选择技术难度小、工艺简单、材料利用率高，并与加工设备及生产技术相适应的材料。
二、材料的工艺性
三、材料的成本
材料的价格和加工成本直接影响着产品的性价比。应在满足设计要求的基础上，结合材料的成本，优先选用资源丰富、价格低廉、质量上好的材料。
选择材料时，安全是最基本的因素，材料的选择应充分考虑可能遇到的各种危险。
补充一句：
为了提高材料的利用率和劳动效率，保证产品质量和正品率，应对材料进行合理的规划。在规划材料时，一要做到料尽其用，优材不劣用，大材不小用，长材不短用。二要充分考虑材料的颜色、花纹和光泽，外用料要选择材质好、纹理美观、涂饰性能好的材料。三要考虑材料的加工余量和损耗等因素，保证各部件的顺利能配和作品的尺寸精度。
材料的规划
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