資源簡介

通用技術·技術與設計1
溫故知新
1.模型：根據實物、設計圖樣或構思，按比例、生態或其他特征制成的與實物相似的一種物體。
2.模型的功能：①使設計對象具體化 ②幫助分析設計的可能性
3.模型的分類：
草模：用簡單的立體模型表達構思意圖
概念模型：表達設計產品造型的整體概念
結構模型：體現內部結構，幫助測試強度
功能模型：體現產品功能，用于研究性能與人機關系
展示模型：作為產品的樣品，為用戶提供實物體驗
4.原型：一個能反映設計產品全部功能的形體
6.2 材料的性能與規劃
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教學目標與重難點
教學目標：
理解各種材料的特性和應用環境
掌握根據設計要求選擇合適材料的方法，培養物化能力
教學重點：比較各種材料的特性，并在設計分析中合理使用
教學難點：明確各種材料性能的含義
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6.2.1 探究材料的性能與應用
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材料
鬶的高度為30厘米左右，是一種可以加熱的陶器，三腳造型可加大受熱面積。鼎為一種帶足的烹煮器具，同時也是一種禮器，由青銅制成。現代鍋具由不銹鋼制成，同時內部有聚四氟乙烯涂層。
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材料
材料是人類用以制成生活和生產中的物品、器件、構件、機器和其他產品的物質，它是人類生存和發展的物質基礎，是人類社會現代文明的重要支柱。
材料是產品設計的物質條件，是產品設計的基礎和前提。材料以其自身的特性影響著產品設計，維持產品功能的形態，滿足產品功能的要求。
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材料
在工程領域，一般將材料按化學成分分為金屬材料、無機非金屬材料、 有機高分子材料和復合材料四大類。
材料
單一材料
復合材料
有機高分子材料
金屬材料
無機材料
無機非金屬材料
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金屬材料
金屬材料是指由純金屬或合金構成的材料，具有金屬光澤，有良好的導熱和導電性能，以及優良的力學性能和可加工性能。
銅是人類最早使用的金屬之一，其單質呈紫紅色，延展性、導熱性和導電性高，在電纜和電氣、電子元件中十分常見，還可用于制造炊具。
鐵是柔韌而延展性較好的銀白色物質，是使用最廣泛的金屬。純鐵用于制發電機和電動機的鐵芯，鐵及其化合物還用于制磁鐵、藥物、墨水、顏料、磨料等。
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金屬材料
鋁是一種銀白色輕金屬，有延展性，不耐酸堿，在潮濕空氣中能形成一層防止內部金屬腐蝕的氧化膜。鋁無法通過普通冶煉法生產，需要將鋁土礦處理后電解才能制得。
2Al2O3熔融Na3AlF6電解4Al+3O2↑
鈦的主要特點是密度小、機械強度大、容易加工，有良好的抗腐蝕性能，不受大氣和海水的影響。鈦是無磁性金屬，在很大的磁場中也不會被磁化。除此以外，鈦與人體組織及血液有好的相容性，可用于制造人工髖關節、膝關節等。
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金屬材料
合金是指一種金屬與另一種或幾種金屬或非金屬經過混合熔化，冷卻凝固后得到的具有金屬性質的固體產物。與純金屬相比，合金一般有著硬度增大、熔點降低的特性。常見的合金包括碳素鋼（鐵、碳）、不銹鋼（鐵、鉻、鎳）、鎂鋁合金、青銅（銅、錫、鉛）、黃銅（銅、鋅）等。
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無機非金屬材料
無機非金屬材料指的是除金屬材料外的無機材料，包括傳統硅酸鹽材料與新型陶瓷等。硅酸鹽指的是硅、氧與其它化學元素（主要是鋁、鐵、鈣、鎂、鉀、鈉等）形成的化合物，是多種巖石和土壤的主要成分，在地殼中含量較大。常見的硅酸鹽材料主要包括無機玻璃、水泥、傳統陶瓷三類。
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無機非金屬材料
無機玻璃是用石英砂、純堿與石灰石燒制而成的混合物，一般為無色透明的非晶體物質，可以通過添加金屬氧化物來改變其顏色。
Na2CO3+SiO2高溫Na2SiO3+CO2↑
CaCO3+SiO2高溫CaSiO3+CO2↑
玻璃對堿性物質和氫氟酸的抗性較差，實驗室中盛放氫氟酸要使用塑料容器，且盛放堿性溶液的細口瓶要搭配橡膠塞。
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無機非金屬材料
水泥是一種粉狀水硬性無機膠凝材料，即加水攪拌后形成的漿體能在空氣中硬化或者在水中硬化，并把砂、石等材料牢固地膠結在一起的物質。最常用的“波特蘭水泥”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鈣（Ca3SiO5，也可以氧化物的形式記為3CaO?SiO2，下同）、硅酸二鈣（2CaO?SiO2）和鋁酸三鈣（3CaO?????????2O3）等。
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無機非金屬材料
傳統陶瓷是以陶土、高嶺土等原料經過燒制而成的材料，主要含硅酸鹽與硅鋁酸鹽。陶瓷的耐堿性強于玻璃，但是高溫條件下也可被堿性物質腐蝕，因此在實驗室中嚴禁使用陶瓷坩堝熔融NaOH、KOH、Na2CO3等固體。
陶瓷與玻璃不同，燒成硬化后難以重塑，因此陶瓷器的成型往往在燒制之前。如想回收利用廢棄的陶瓷器，則需要對其進行粉碎，之后按一定比例摻入原料，進行新器具的制作。
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有機高分子材料
有機高分子材料一般包括天然材料（木、棉、麻、絲、毛等）以及合成材料（合成樹脂、合成纖維、合成橡膠等）。
棉主要成分為纖維素，堅牢耐磨，能夠洗滌和在高溫下熨燙。在經過整理、紡織過程后，棉纖維能制成各類衣服、家具布和工業用布。
麻可以從各種麻類植物取得，主要成分同為纖維素。與棉纖維相比，麻纖維有著彈性差、抗皺性差、耐磨性差、穿著有刺癢感等缺點，一般只用于紡制繩索和包裝用麻袋。
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有機高分子材料
毛纖維，尤其是羊毛，在世界紡織品生產中有著舉足輕重的地位，其主要成分為蛋白質，柔軟而富有彈性，手感豐滿、保暖性好、穿著舒適。
絲質輕而細長，織物光澤好，穿著舒適，手感滑爽豐滿，導熱差，吸濕透氣，用于制造各種綢緞和針織品，并用于工業、國防和醫藥等領域。
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有機高分子材料
木材是一種優良的造型材料，其主要成分包括纖維素、半纖維素、果膠和木質素。木材質輕，有天然的色澤和美麗的花紋，具有易于加工和涂飾、隔熱與絕緣的特點。由天然木材制成的作品，紋理美觀，自然淳樸。
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有機高分子材料
木材可分為實木板材和人造板材。實木板材是指采用完整的木材制成的板材，內部存在紋理，按木料可分為櫸木、柚木、楓木、橡木、榆木、松木等。人造板材有密度板、刨花板、膠合板、細木工板、三聚氰胺板等，一般是通過將木材邊角料壓縮或膠粘形成的平板。膠粘性人造板材中含有大量的甲醛，使用時必須進行長時間通風，以使其中的甲醛揮發出去，從而讓使用時的甲醛濃度降低到人體安全范圍內。
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有機高分子材料
各向異性亦稱“非均質性”，是指物體的全部或部分性能隨方向的不同而各自表現出一定的差異的特性，即在不同的方向所測得的性能數值不同。實木材料具有各向異性的特點，木材暴露在空氣中時，容易受溫度和濕度的影響，各方向發生不同程度的尺寸、強度的變化，導致變形、開裂、扭曲和翹曲。人造板材不易受到環境的影響，應用比較廣泛。
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有機高分子材料
塑料（合成樹脂）是一種具有多種特性的材料。它原料來源廣，性能優良（質輕，絕緣，耐腐蝕），加工成型方便，具有裝飾性，而且價格比較低廉，廣泛應用于儀器、儀表、家用電器、包裝及日常生活用品等各領域。
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有機高分子材料
塑料可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。熱塑性塑料是指在一定的溫度范圍內，能反復加熱軟化至熔融流動，冷卻后能硬化成一定形狀的塑料，如聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）等。熱塑性塑料受熱后可多次成型，廢料可回收再利用。熱固性塑料是指在初次成型后形狀固化下來，不能再次熱熔或軟化的塑料，如酚醛樹脂（電木）、脲醛樹脂（電玉）等。在隔熱、耐磨、絕緣、耐高壓電等惡劣環境中使用的塑料，大部分是熱固性塑料。
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復合材料
復合材料是由兩種或兩種以上不同的材料組合而成。如將亞克力（聚甲基丙烯酸甲酯）融化后傾倒入玻璃纖維網絡中，冷卻后就會形成由無機非金屬材料和有機高分子材料復合產生的玻璃鋼，其力學性能與碳素鋼接近，但密度只有碳素鋼的四分之一。
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新材料
新材料指新出現的具有優異性能或特殊功能的材料，或是傳統材料改進后性能明顯提高或產生新功能的材料，如形狀記憶合金。宇宙飛船上的天線尺寸較大，幾乎不可能放入飛船中，我們可以先將形狀記憶合金在高溫下制成半球形的月面天線，再將天線冷卻后折疊成小球，放進宇宙飛船的船艙里。到達指定位置后，在陽光照射或其他熱源的加熱下，天線可以自動張開成為原先定形的天線，迅速投入正常的工作。
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新材料
現代科學界將有特定組成與功能的無機非金屬材料（如氧化物、碳化物、硼化物、氮化物）稱為新型陶瓷，包括耐磨陶瓷、壓電陶瓷、磁性陶瓷、電容器陶瓷、高溫陶瓷等。
新型陶瓷碳化硅（SiC）是一種半導體，具有優良的導熱性能，高溫時能抗氧化，其硬度為9.5級，僅次于世界上最硬的金剛石（10級）。因此，碳化硅常用于制作耐火物品與耐磨元件。
二氧化鋯（????????????2）具有高熔點（2700 ℃）、高電阻率、高折射率和低熱膨脹系數的性質，使它成為重要的耐高溫材料。使用二氧化鋯制造的隔熱瓦，能夠有效隔絕飛船外壁與大氣摩擦而產生的1700 ℃高溫，從而保護內部由鋁合金制成的核心部件。
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新材料
碳納米材料指由碳元素組成的新型無機非金屬材料，包括富勒烯、石墨烯與碳納米管三類。
富勒烯中具有代表性的為C60，它由60個碳原子構成32面體，其中包括20個六邊形，12個五邊形，恰好與足球表面格的排列一致，又稱為“足球烯”。
石墨烯是從石墨中取出的碳原子片層，具有良好的導電、導熱、透光性能，可用于制作化學傳感器、超薄晶體管等元件。
碳納米管可以視為石墨烯“卷起來”形成的一種管狀分子，其抗拉強度是鋼的100倍,密度卻只有鋼的六分之一，且在特定方向上，碳納米管的電阻率只有銅的一萬分之一，可用于生產復合材料、電池。
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新材料
超疏水材料是一類對水極端排斥的材料，通常由特殊的表面結構和化學物質構成。荷葉便是自然界的超疏水材料，顯微鏡下荷葉的表面并不像它表現的那樣光滑，它上面布滿著密密麻麻的突狀結構，突狀結構之間充斥著空氣，形成了一層極薄的空氣膜，再加上荷葉自身分泌的植物蠟質，共同造就了荷葉的疏水和自清潔效應。
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6.2.2 選擇和規劃材料
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材料的選擇
材料選用適當與否，直接影響著產品的內在功能和外觀質量。任何一個產品設計，只有選用材料的性能特點與其加工工藝性能相一致，才能實現設計的目的和要求。選擇材料時，要綜合考慮材料的性能、材料的工藝性以及材料的成本等因素。
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材料的性能
在產品設計選擇材料時，首先應該考慮材料的性能是否能滿足產品的使用功能、使用環境、結構要求等。
強度是指材料抵抗變形和斷裂的能力。強度是評定材料質量的重要力學性能指標，是設計中選用材料的主要依據之一。根據受力種類的不同，分為抗壓、抗拉、抗彎、抗剪等。
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材料的性能
一般情況下，實木材料沿著木料紋理方向的抗拉、抗壓強度高，但抗剪強度差，垂直于木料紋理方向的抗剪強度高，但抗拉、抗壓強度下，在使用時要注意木料的紋理。
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材料的性能
剛度是指材料受到外力時對彈性形變的抵抗能力大小。在受到同樣大小的外力時，剛度越大的材料，其形變量越不顯著，發生彎曲、錯位的概率越低。
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材料的性能
硬度是衡量材料軟硬程度的一種性能指標，描述的是不同材料接觸過程中的互相破壞能力，直接影響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聯系在一起。一般情況下，材料的硬度越高，其耐磨性越好。車床、銑床上用于金屬加工的刀具，其材料必須具有很高的強度和硬度。
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材料的性能
韌性指材料在變形和破裂過程中吸收能量的能力。當材料強度較大且可塑性強時，其韌性較好，發生脆性斷裂的可能性小。1912年4月14日，泰坦尼克號撞上冰山，隨后船裂成兩半沉入大海，船上1500多人喪生。研究發現，泰坦尼克號在水線下的船體由含硫量較高的鋼板焊接而成，其韌性很差，在低溫環境下脆性更加明顯，導致船體撞擊冰山后，發生了災難性的脆性斷裂。
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材料的性能
選擇材料時，還需要考慮材料應具有良好的加工性能，符合造型設計中成型工藝、加工工藝和表面處理的要求，優先選擇技術難度小、工藝簡單、材料利用率高，并與加工設備及生產技術相適應的材料。
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材料的成本
材料的價格和加工成本直接影響著產品的性價比。應在滿足設計要求的基礎上，結合材料的成本，優先選用資源豐富、價格低廉、質量上好的材料。此外，安全成本也是材料選擇中需要考慮的因素，應充分考慮可能遇到的各種危險（如失火、臺風、地震等）。
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材料的規劃
為了提高材料的利用率和勞動效率，保證產品質量和正品率，應對材料進行合理的規劃。在規劃材料時：
一要做到料盡其用，優材不劣用，大材不小用，長材不短用；
二要充分考慮材料的顏色、花紋和光澤，外用料要選擇材質好、紋理美觀、涂飾性能好的材料；
三要考慮材料的加工余量和損耗等因素，保證各部件的順利裝配和作品的尺寸精度。
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本課小結
1. 材料的分類：
金屬材料：金屬單質、合金
無機非金屬材料：玻璃、陶瓷、水泥
有機高分子材料：天然纖維、木材、塑料
新材料：記憶形狀合金、新型陶瓷、碳納米材料、超疏水材料
2. 材料的選擇：
材料的性能：強度、硬度、韌性、加工性能
材料的成本：材料價格、加工成本、安全成本
3. 材料的規劃：料盡其用、外表美觀、計算準確
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隨堂練習
1.下列設計產品中，主要使用天然材料制作的是（ ）
A. 紅木椅 B. 塑料水壺 C. 玻璃杯 D. 鋁合金窗框
A
解析：紅木是天然材料，塑料、玻璃、鋁合金都是人工材料
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隨堂練習
2. 鄔老師意圖給住宅的浴室內設計并制作一個毛巾架，下列選材建議中最合理的是（ ）
A. 實木 B. 玻璃 C. 鋁合金 D. 鈦合金
C
解析：浴室環境潮濕，實木易吸水變形，玻璃成形容易但質地較脆易損壞，鋁合金、鈦合金都具有耐腐蝕性能，但鈦合金價格較高
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隨堂練習
3.如圖所示是建筑工地上常見的塔吊，為了使吊臂在作業時不發生斷裂，且不發生上下顛簸，選用材料時分別需要考慮的力學性能是（ ）
① 硬度 ② 剛度 ③ 密度 ④ 強度
A. ①② B. ①③ C. ④① D. ④②
D
解析：強度是材料抵抗外力破壞的性能，剛度是材料抵抗外力作用下彈性形變的性能，為使吊臂在作業時不發生斷裂，其強度必須較大，為使其平穩運行，其剛度必須較大
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隨堂練習
4.現有一塊木料用于制作四條高420 mm，長、寬均為50 mm的板凳腿，下列對木料的規劃中，最合理的是（ ）
A. B.
C. D.
B
解析：凳腿主要需要抗壓，應沿著紋理方向規劃材料（D錯誤），并避開左上角的結構缺陷（C錯誤），且要留有加工時的損耗（A錯誤）

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