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通用技术·技术与设计1
温故知新
1.模型：根据实物、设计图样或构思，按比例、生态或其他特征制成的与实物相似的一种物体。
2.模型的功能：①使设计对象具体化 ②帮助分析设计的可能性
3.模型的分类：
草模：用简单的立体模型表达构思意图
概念模型：表达设计产品造型的整体概念
结构模型：体现内部结构，帮助测试强度
功能模型：体现产品功能，用于研究性能与人机关系
展示模型：作为产品的样品，为用户提供实物体验
4.原型：一个能反映设计产品全部功能的形体
6.2 材料的性能与规划
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教学目标与重难点
教学目标：
理解各种材料的特性和应用环境
掌握根据设计要求选择合适材料的方法，培养物化能力
教学重点：比较各种材料的特性，并在设计分析中合理使用
教学难点：明确各种材料性能的含义
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6.2.1 探究材料的性能与应用
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材料
鬶的高度为30厘米左右，是一种可以加热的陶器，三脚造型可加大受热面积。鼎为一种带足的烹煮器具，同时也是一种礼器，由青铜制成。现代锅具由不锈钢制成，同时内部有聚四氟乙烯涂层。
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材料
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。
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。
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材料
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。
材料
单一材料
复合材料
有机高分子材料
金属材料
无机材料
无机非金属材料
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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。
铜是人类最早使用的金属之一，其单质呈紫红色，延展性、导热性和导电性高，在电缆和电气、电子元件中十分常见，还可用于制造炊具。
铁是柔韧而延展性较好的银白色物质，是使用最广泛的金属。纯铁用于制发电机和电动机的铁芯，铁及其化合物还用于制磁铁、药物、墨水、颜料、磨料等。
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金属材料
铝是一种银白色轻金属，有延展性，不耐酸碱，在潮湿空气中能形成一层防止内部金属腐蚀的氧化膜。铝无法通过普通冶炼法生产，需要将铝土矿处理后电解才能制得。
2Al2O3熔融Na3AlF6电解4Al+3O2↑
钛的主要特点是密度小、机械强度大、容易加工，有良好的抗腐蚀性能，不受大气和海水的影响。钛是无磁性金属，在很大的磁场中也不会被磁化。除此以外，钛与人体组织及血液有好的相容性，可用于制造人工髋关节、膝关节等。
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金属材料
合金是指一种金属与另一种或几种金属或非金属经过混合熔化，冷却凝固后得到的具有金属性质的固体产物。与纯金属相比，合金一般有着硬度增大、熔点降低的特性。常见的合金包括碳素钢（铁、碳）、不锈钢（铁、铬、镍）、镁铝合金、青铜（铜、锡、铅）、黄铜（铜、锌）等。
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无机非金属材料
无机非金属材料指的是除金属材料外的无机材料，包括传统硅酸盐材料与新型陶瓷等。硅酸盐指的是硅、氧与其它化学元素（主要是铝、铁、钙、镁、钾、钠等）形成的化合物，是多种岩石和土壤的主要成分，在地壳中含量较大。常见的硅酸盐材料主要包括无机玻璃、水泥、传统陶瓷三类。
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无机非金属材料
无机玻璃是用石英砂、纯碱与石灰石烧制而成的混合物，一般为无色透明的非晶体物质，可以通过添加金属氧化物来改变其颜色。
Na2CO3+SiO2高温Na2SiO3+CO2↑
CaCO3+SiO2高温CaSiO3+CO2↑
玻璃对碱性物质和氢氟酸的抗性较差，实验室中盛放氢氟酸要使用塑料容器，且盛放碱性溶液的细口瓶要搭配橡胶塞。
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无机非金属材料
水泥是一种粉状水硬性无机胶凝材料，即加水搅拌后形成的浆体能在空气中硬化或者在水中硬化，并把砂、石等材料牢固地胶结在一起的物质。最常用的“波特兰水泥”是用黏土、石灰石、石膏等原料制成的，其主要成分包括硅酸三钙（Ca3SiO5，也可以氧化物的形式记为3CaO?SiO2，下同）、硅酸二钙（2CaO?SiO2）和铝酸三钙（3CaO?????????2O3）等。
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无机非金属材料
传统陶瓷是以陶土、高岭土等原料经过烧制而成的材料，主要含硅酸盐与硅铝酸盐。陶瓷的耐碱性强于玻璃，但是高温条件下也可被碱性物质腐蚀，因此在实验室中严禁使用陶瓷坩埚熔融NaOH、KOH、Na2CO3等固体。
陶瓷与玻璃不同，烧成硬化后难以重塑，因此陶瓷器的成型往往在烧制之前。如想回收利用废弃的陶瓷器，则需要对其进行粉碎，之后按一定比例掺入原料，进行新器具的制作。
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有机高分子材料
有机高分子材料一般包括天然材料（木、棉、麻、丝、毛等）以及合成材料（合成树脂、合成纤维、合成橡胶等）。
棉主要成分为纤维素，坚牢耐磨，能够洗涤和在高温下熨烫。在经过整理、纺织过程后，棉纤维能制成各类衣服、家具布和工业用布。
麻可以从各种麻类植物取得，主要成分同为纤维素。与棉纤维相比，麻纤维有着弹性差、抗皱性差、耐磨性差、穿着有刺痒感等缺点，一般只用于纺制绳索和包装用麻袋。
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有机高分子材料
毛纤维，尤其是羊毛，在世界纺织品生产中有着举足轻重的地位，其主要成分为蛋白质，柔软而富有弹性，手感丰满、保暖性好、穿着舒适。
丝质轻而细长，织物光泽好，穿着舒适，手感滑爽丰满，导热差，吸湿透气，用于制造各种绸缎和针织品，并用于工业、国防和医药等领域。
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有机高分子材料
木材是一种优良的造型材料，其主要成分包括纤维素、半纤维素、果胶和木质素。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。
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有机高分子材料
木材可分为实木板材和人造板材。实木板材是指采用完整的木材制成的板材，内部存在纹理，按木料可分为榉木、柚木、枫木、橡木、榆木、松木等。人造板材有密度板、刨花板、胶合板、细木工板、三聚氰胺板等，一般是通过将木材边角料压缩或胶粘形成的平板。胶粘性人造板材中含有大量的甲醛，使用时必须进行长时间通风，以使其中的甲醛挥发出去，从而让使用时的甲醛浓度降低到人体安全范围内。
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有机高分子材料
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。实木材料具有各向异性的特点，木材暴露在空气中时，容易受温度和湿度的影响，各方向发生不同程度的尺寸、强度的变化，导致变形、开裂、扭曲和翘曲。人造板材不易受到环境的影响，应用比较广泛。
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有机高分子材料
塑料（合成树脂）是一种具有多种特性的材料。它原料来源广，性能优良（质轻，绝缘，耐腐蚀），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。
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有机高分子材料
塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料。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，如聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）等。热塑性塑料受热后可多次成型，废料可回收再利用。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，如酚醛树脂（电木）、脲醛树脂（电玉）等。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。
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复合材料
复合材料是由两种或两种以上不同的材料组合而成。如将亚克力（聚甲基丙烯酸甲酯）融化后倾倒入玻璃纤维网络中，冷却后就会形成由无机非金属材料和有机高分子材料复合产生的玻璃钢，其力学性能与碳素钢接近，但密度只有碳素钢的四分之一。
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新材料
新材料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，如形状记忆合金。宇宙飞船上的天线尺寸较大，几乎不可能放入飞船中，我们可以先将形状记忆合金在高温下制成半球形的月面天线，再将天线冷却后折叠成小球，放进宇宙飞船的船舱里。到达指定位置后，在阳光照射或其他热源的加热下，天线可以自动张开成为原先定形的天线，迅速投入正常的工作。
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新材料
现代科学界将有特定组成与功能的无机非金属材料（如氧化物、碳化物、硼化物、氮化物）称为新型陶瓷，包括耐磨陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、高温陶瓷等。
新型陶瓷碳化硅（SiC）是一种半导体，具有优良的导热性能，高温时能抗氧化，其硬度为9.5级，仅次于世界上最硬的金刚石（10级）。因此，碳化硅常用于制作耐火物品与耐磨元件。
二氧化锆（????????????2）具有高熔点（2700 ℃）、高电阻率、高折射率和低热膨胀系数的性质，使它成为重要的耐高温材料。使用二氧化锆制造的隔热瓦，能够有效隔绝飞船外壁与大气摩擦而产生的1700 ℃高温，从而保护内部由铝合金制成的核心部件。
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新材料
碳纳米材料指由碳元素组成的新型无机非金属材料，包括富勒烯、石墨烯与碳纳米管三类。
富勒烯中具有代表性的为C60，它由60个碳原子构成32面体，其中包括20个六边形，12个五边形，恰好与足球表面格的排列一致，又称为“足球烯”。
石墨烯是从石墨中取出的碳原子片层，具有良好的导电、导热、透光性能，可用于制作化学传感器、超薄晶体管等元件。
碳纳米管可以视为石墨烯“卷起来”形成的一种管状分子，其抗拉强度是钢的100倍,密度却只有钢的六分之一，且在特定方向上，碳纳米管的电阻率只有铜的一万分之一，可用于生产复合材料、电池。
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新材料
超疏水材料是一类对水极端排斥的材料，通常由特殊的表面结构和化学物质构成。荷叶便是自然界的超疏水材料，显微镜下荷叶的表面并不像它表现的那样光滑，它上面布满着密密麻麻的突状结构，突状结构之间充斥着空气，形成了一层极薄的空气膜，再加上荷叶自身分泌的植物蜡质，共同造就了荷叶的疏水和自清洁效应。
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6.2.2 选择和规划材料
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材料的选择
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。
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材料的性能
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。
强度是指材料抵抗变形和断裂的能力。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。根据受力种类的不同，分为抗压、抗拉、抗弯、抗剪等。
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材料的性能
一般情况下，实木材料沿着木料纹理方向的抗拉、抗压强度高，但抗剪强度差，垂直于木料纹理方向的抗剪强度高，但抗拉、抗压强度下，在使用时要注意木料的纹理。
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材料的性能
刚度是指材料受到外力时对弹性形变的抵抗能力大小。在受到同样大小的外力时，刚度越大的材料，其形变量越不显著，发生弯曲、错位的概率越低。
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材料的性能
硬度是衡量材料软硬程度的一种性能指标，描述的是不同材料接触过程中的互相破坏能力，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，其材料必须具有很高的强度和硬度。
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材料的性能
韧性指材料在变形和破裂过程中吸收能量的能力。当材料强度较大且可塑性强时，其韧性较好，发生脆性断裂的可能性小。1912年4月14日，泰坦尼克号撞上冰山，随后船裂成两半沉入大海，船上1500多人丧生。研究发现，泰坦尼克号在水线下的船体由含硫量较高的钢板焊接而成，其韧性很差，在低温环境下脆性更加明显，导致船体撞击冰山后，发生了灾难性的脆性断裂。
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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。
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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。此外，安全成本也是材料选择中需要考虑的因素，应充分考虑可能遇到的各种危险（如失火、台风、地震等）。
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材料的规划
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，保证各部件的顺利装配和作品的尺寸精度。
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本课小结
1. 材料的分类：
金属材料：金属单质、合金
无机非金属材料：玻璃、陶瓷、水泥
有机高分子材料：天然纤维、木材、塑料
新材料：记忆形状合金、新型陶瓷、碳纳米材料、超疏水材料
2. 材料的选择：
材料的性能：强度、硬度、韧性、加工性能
材料的成本：材料价格、加工成本、安全成本
3. 材料的规划：料尽其用、外表美观、计算准确
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随堂练习
1.下列设计产品中，主要使用天然材料制作的是（ ）
A. 红木椅 B. 塑料水壶 C. 玻璃杯 D. 铝合金窗框
A
解析：红木是天然材料，塑料、玻璃、铝合金都是人工材料
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随堂练习
2. 邬老师意图给住宅的浴室内设计并制作一个毛巾架，下列选材建议中最合理的是（ ）
A. 实木 B. 玻璃 C. 铝合金 D. 钛合金
C
解析：浴室环境潮湿，实木易吸水变形，玻璃成形容易但质地较脆易损坏，铝合金、钛合金都具有耐腐蚀性能，但钛合金价格较高
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随堂练习
3.如图所示是建筑工地上常见的塔吊，为了使吊臂在作业时不发生断裂，且不发生上下颠簸，选用材料时分别需要考虑的力学性能是（ ）
① 硬度 ② 刚度 ③ 密度 ④ 强度
A. ①② B. ①③ C. ④① D. ④②
D
解析：强度是材料抵抗外力破坏的性能，刚度是材料抵抗外力作用下弹性形变的性能，为使吊臂在作业时不发生断裂，其强度必须较大，为使其平稳运行，其刚度必须较大
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随堂练习
4.现有一块木料用于制作四条高420 mm，长、宽均为50 mm的板凳腿，下列对木料的规划中，最合理的是（ ）
A. B.
C. D.
B
解析：凳腿主要需要抗压，应沿着纹理方向规划材料（D错误），并避开左上角的结构缺陷（C错误），且要留有加工时的损耗（A错误）

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