資源簡介

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第二節、材料的性能與規劃
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。
任務一
探究材料的性能與應用
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。
通過炊具發展史，我們可以發現：從原始社會到現代社會，炊具經歷了石制品、陶制品、青銅器具、鐵具、瓷器以及鋁合金制品、不銹鋼制品等，在不同的歷史時期，所選用材料的性能特點不同，制造出的炊具就具有不同的形態和功能。材料的合理選擇對于產品設計具有重大影響。
材料的分類
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。
木材、金屬材料、塑料等都是常見的材料。
木材是一種優良的造型材料，自古以來，它一直是最廣泛最常用的傳統材料，其自然、樸素的特性令人產生親切感，被認為是最富于人性特征的材料。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。
一、木材
木材能夠廣泛應用的原因之一，是其具有較好的強度性能及優良的加工性能。
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。
材料的強度是指材料抵抗變形和斷裂的能力。
根據受力種類的不同，分為抗壓、抗拉、抗彎、抗剪等。
實木板材是指采用完整的木材（原木）制成的木板材。實木材料具有各向異性的特點，在自然條件下具有吸濕而膨脹、解吸而收縮的特性。木材暴露在空氣中時，容易受溫度和濕度的影響，發生尺寸、形狀和強度的變化，導致變形、開裂、扭曲和翹曲等現象。
木材可分為實木板材和人造板材。
實木板材
實木板材堅固耐用、紋路自然，大都具有天然木材特有的芳香，具有較好的吸濕性和透氣性，有益于人體健康，不造成環境污染，是制作高檔家具、門、窗、實木雕刻等房屋裝修的優質木材。一些特殊材質(如櫸木)的實木板還是制造槍托、精密儀表的理想材料。對于實木板來說，它的突出特點是環保性，因為它的甲醛釋放量還不到國家標準的五分之一，而且使用的材料也相當環保，所以和其他的比起來會更加環保而且健康一些。而對于實木板來說，可能因為它天然材料的性質，所以會比較容易受到蟲蛀也可能會有裂縫。
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。
小辭典
各向異性
人造板材有密度板、刨花板、膠合板、細木工板、三聚氰胺板等，人造板材在幅面方向上的尺寸穩定性好，較實木而言適用范圍更廣。
密度板
特點密度板表面光滑平整、材質細密、性能穩定、邊緣牢固，而且板材表面的裝飾性好。但密度板耐潮性較差。且相比之下，密度板的握釘力較刨花板差，螺釘旋緊后如果發生松動，在同一位置很難再固定。主要用于強化木地板、門板、隔墻、家具等,密度板在家裝中主要用于混油工藝的表面處理；一般做家具用的都是中密度板,因為高密度板密度太高,很容易開裂，所以沒有辦法做家具。一般高密度板都是用來做室內外裝潢、辦公和民用家具、音響、車輛內部裝飾，還可用作計算機房抗靜電地板、護墻板、防盜門、墻板、隔板等的制作材料。它還是包裝的良好材料。未來更是作為基材用于制作強化木地板等。
中密度纖維板木材制造工藝
刨花板
刨花板是天然木材粉碎成顆料狀后，再經黏合壓制而成，因其剖面類似蜂窩狀，所以稱為刨花板。刨花板絕熱、吸聲，抗彎性和抗拉性較差，密度疏松易松動。主要用于絕熱、吸聲或吊頂、制作普通家具等。目前，很多廠家生產出的家具都采用刨花板，也是櫥柜的主要材料。刨花板表面常以三聚氰胺飾面雙面壓合，經封邊處理后與中密度板的外觀相同，采用專用的連接件組裝，可拆卸
刨花板生產過程
膠合板
膠合板：膠合板是由三層或多層一毫米左右的實木單板或薄板膠貼熱壓制成，常見的有三夾板、五夾板、九夾板和十二夾板（俗稱三合板，五厘板，九厘板，十二厘板）。
特點：結構強度好，穩定性好。膠合板含膠量大，施工時要做好封邊處理，減少污染。
用途：用于木質制品的背板、底板等。由于厚薄尺度多樣，質地柔韌，易彎曲，也可以配合細木工板用于結構細膩處彌補大芯板厚度的缺陷。
膠合板制造工藝
細木工板
細木工板俗稱大芯板，是由兩片單板中間膠壓拼接木板而成，釘力好，強度高，具有質堅、吸聲、絕熱等特點，且含水率在10%—13%之間，加工簡便，給人以實木感。主要應用于家俱制造、門窗及套、隔斷、假墻、暖氣罩、窗簾盒門板、壁板等，是家居裝修中廣受歡迎的一種板材。
細木工板工藝
三聚氰胺板
三聚氰胺飾面板又叫做三聚氰胺板、
雙飾面板、免漆板，行業內比較喜歡叫生態板。是將帶有不同顏色或紋理的紙放入三聚氰胺樹脂膠粘劑中浸泡，
然后干燥到一定固化程度，
將其鋪裝在刨花板、防潮板、中密度纖維板、膠合板、細木工板或其他硬質纖維板表面，
經熱壓而成的裝飾板。
特點：1．可以任意仿制各種圖案，色澤鮮明，用作各種人造板和木材的貼面，硬度大，耐磨，耐熱性好。
2．耐化學藥品性能一般，
能抵抗一般的酸、堿、油脂及酒精等溶劑的磨蝕。
3．表面平滑光潔，容易維護清洗。
4．表面平整、因為板材雙面膨脹系數相同而不易變形、顏色鮮艷、表面較耐磨、耐腐蝕，價格經濟。
用途：
三聚氰胺板具備天然木材所不能兼備的優異性能，故常用于室內建筑及各種家具、櫥柜的裝飾上，一些面板，墻面，柜面，柜層板等。三聚氰胺板是一種墻面裝飾材料。
市場上面向家庭的三聚氰胺板式家具多以中密度板和刨花板為基材，相比之下，細木工板的性能優于前兩者。細木工板內部結構均勻，結合力大，變形小，表面平整度好，
握釘力強。因此，用細木工板做基材的三聚氰胺飾面板更堅固耐用，更能發揮板式家具抵御拼裝的特點。
中密度板和刨花板的質地相對疏松，
握釘力差，較前者造價低。
三聚氰胺板貼面過程
思維碰撞
1．哪些環境條件下不適合用實木？
2．日常生活中實木制品的哪些現象可以用各向異性的特點來解釋？
第2題：如實木地板開裂、翹曲，實木家具變形、扭曲等。
第1題：木材的自然屬性決定了實木會受到環境濕度的影響而產生形狀上的變化，因此溫、濕度變化較大的環境不適合用實木，如戶外、過于潮濕或干燥的環境等。
二、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。
銅材
鋁型材
鋼材
抗拉強度一般被作為判別金屬強度的指標，這是為什么？
金屬材料的力學性能主要包括強度、剛度、硬度等，一般以抗拉強度作為判別金屬強度的指標。
思維碰撞
因為各種強度之間有一定聯系，一般來說抗拉強度高，其他強度也高。
第1題：因為不同材質金屬絲的硬度不同。
第2題：因為鋼絲鉗的硬度比鐵絲更高。
硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標，它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，其材料必須要有很高的強度和硬度。
車床，刀具
銑床，刀具
先進的高精度車床金屬加工
CNC高速銑削，完美金屬加工
第1題：要用到具備耐磨、耐腐蝕、持久耐用等特點的用具的環境，如要用到劃針、樣沖、玻璃刀、鋼鋸、鉆頭等的使用環境。
第2題：不是。硬度大是指金屬材料抵抗更硬的物體壓人其內的能力強，而材料堅固一般指金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力強，即材料的強度高，二者有區別。
塑料的發展史
“賽璐珞”（Celluloid）是人類歷史上第一種合成塑料。1869年，美國的海亞特把硝化纖維、樟腦和乙醇的混合物在高壓下共熱，然后在常壓下硬化成型制出的。
從第一個塑料產品賽璐珞誕生算起，塑料工業迄今已有150年的歷史。其發展歷史可分為三個階段
天然高分子加工階段
第一種完全人工合成的塑料是在1909年由美國人貝克蘭用苯酚和甲醛制造的酚醛樹脂，又稱貝克蘭塑料。
進入50年代，從石油裂解而得的烯烴主要包括乙烯與丙烯，德國人齊格勒與意大利人納塔分別在1952年和在1957年發明用金屬絡合催化劑合成低壓聚乙烯與聚丙烯的方法。
合成樹脂階段
大發展階段
塑料是一種具有多種特性的材料。它原料來源廣，性能優良（質輕、具有絕緣性、耐腐蝕性等），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。
三、塑料
儀器
儀表
家用電器
包裝
日常生活用品
塑料可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。
1、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。
熱塑性塑料受熱后可多次成型，廢料可回收再利用。
加熱軟化至熔融流動
模具
2、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。
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。
新材料是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，如超導材料、碳纖維、石墨烯、柔性玻璃、形狀記憶合金等。
四、新材料
超導材料
碳纖維
石墨烯
柔性玻璃
形狀記憶合金
討論：新材料還有新型陶瓷材料、非晶態合金（金屬玻璃）、光纖、納米材料等。使用新材料的制品有用超導材料制成的磁懸浮列車、通信電纜、石墨烯手機、用柔性玻璃制造的太陽能電池板、用形狀記憶合金材料制成的牙齒矯形絲等。
新型陶瓷材料
非晶態合金（金屬玻璃）
光纖
納米材料
用形狀記憶合金材料制成的牙齒矯形絲
討論：形狀記憶合金材料是指加熱升溫后能完全消除其在較低的溫度下發生的變形，恢復其變形前原始形狀的合金材料，可以應用在醫療、航空航天、日常生活等領域，制作的產品包括脊柱矯形支架、機械結構中的連接套管、機械手、超彈性眼鏡架、空間站的天線連接桿等，主要解決產品需要在不同溫度條件下使用且能借助變形來實現某些功能的問題。
《考工記》記載：
“天有時，地有氣，材有美，工有巧，合此四者然后可以為良。”由此看出，古人很早就意識到材料選擇的重要性。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。
任務二
選擇和規劃材料
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。
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。
一、材料的性能
例如，設計微波餐具，就要選擇耐高溫的材料，如塑料、陶瓷、玻璃；設計空調支架，就要選用抗壓的材料，如金屬材料；設計交通工具，就要選用強度性能高的材料，如工程塑料或者金屬材料等。
第1題：若材料的性能不能滿足產品的要求會帶來嚴重后果，輕則產品性能不好，質量不過關，重則出現安全事故，造成人員傷亡或財產損失。
第2題：選擇臺燈材料時，應主要從材料的強度、絕緣性、便于加工等方面考慮臺燈制作材料的性能。
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。
二、材料的工藝性
三、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。
選擇材料時，安全是最基本的因素，材料的選擇應充分考慮可能遇到的各種危險。
補充一句：
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，保證各部件的順利能配和作品的尺寸精度。
材料的規劃
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傳統手工排料存在著占用空間大，排料時問間長，易多排、錯排或漏排，排料圖不便于保存，不易估算面料等不足。
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手工排料與計算機輔助設計排料

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