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,6-1 生态环境材料,面对日益恶化的生态环境，可持续发展成为世界的共识。 在这种背景下，20世纪90年代初，国际上提出了环境材料(ecomaterials)的概念，标志着材料科学的发展迈入了一个新的历史时期。,日本东京Eiji hiyama设计的用瓦楞纸制成的儿童玩具,丹麦生产的天然彩色棉花织成的布匹,产品设计材料概论,6,发展中的新材料,1,I2571型环保型真空吸尘器，外壳采用的是再生塑料。,20世纪90年代初开始，韩国汉城市内公路两旁的隔音板，根据声学原理，用铝格和有机合成玻璃制成隔栏，大大降低 了汽车的噪声，减轻了汽 车尾气的污染。,6-1 生态环境材料,产品设计材料概论,6,发展中的新材料,2,生态环境材料的概念与分类,实际上任何一种材料只要经过改造达到节约资源并与环境协调共存的要求，它就应视为生态环境材料。,6-1 生态环境材料,产品设计材料概论,6,发展中的新材料,3,生态环境材料的基本理论,理论研究,生态环境材料研究,实用研究,6-1 生态环境材料,产品设计材料概论,6,发展中的新材料,4,（1）节约能源。材料能够降低某一系统的能源消耗。 （2）节约资源。材料能降低系统的资源消耗。 （3）可重复使用。 （4）可循环再生。 （5）结构可靠性。 （6）化学稳定性。 （7）生物安全性。 （8）无毒、无害。 （9）舒适性。材料在使用时能给 人提供舒适感的性质。 （10）环境清洁、治理功能。,生态环境材料的有以下几个特征：,再生纸制成的包装盒,6-1 生态环境材料,产品设计材料概论,6,发展中的新材料,5,（1）能源节约工艺。 （2）资源节约工艺。 （3）降低污染的加工技术。 （4）净化环境的加工技术。,生态环境材料的合成与加工工艺，可分为四类：,废旧材料二次利用制成的产品,6-1 生态环境材料,产品设计材料概论,6,发展中的新材料,6,生态环境材料及其工艺,1.常见的金属生态环境材料及工艺 （1）常见的金属生态环境材料 1)通用合金 再生循环过程中种类繁多的材料混杂在一起，就使废料的再生循环利用变得非常困难。因此从提高金属材料的再生循环性能出发，金属制品的全部零部件由单一合金系来制造最为理想。通用合金就是使用合金元素种类最少，且能满足各种用途要求的标准合金系。,产品设计材料概论,6,发展中的新材料,7,3）双相钢 与普通低合金高强度钢相比，在同等级抗拉强度水平下，铁素体-马氏体双相钢具有屈强比低、冷变形性能好、无屈服点等特点，这类传统材料已发展成为一种强度高、成形性能好的新型冲压用钢。,2）简单合金,与超级通用合金的用途不同，简单合金的主要用途是代替大量消费的金属结构材料。,6-1 生态环境材料,产品设计材料概论,6,发展中的新材料,8,（2）常见的金属材料的生态化改造工艺 从环境材料的角度出发，尽量使金属材料的加工过程消耗较低的资源和能源，排放较少的三废，并且在废弃之后易于分解、回收与再生。,产品设计材料概论,6,发展中的新材料,9,德国BMW3型环保概念车，其中用蓝色标出的零件都使用再生材料制造的，而绿色表示材料可回收，整个车可以拆卸。,6-1 生态环境材料,产品设计材料概论,6,发展中的新材料,10,绿色设计不应该仅仅停留在技术层面上，更应该体现在设计的思维和原则上。绿色设计是在设计观念上的一次变革，要求设计师以一种更负责的方法去设计更加简洁、长久、完美的产品。,6-1 生态环境材料,产品设计材料概论,6,发展中的新材料,例如1994年，philip starck为法国一家公司设计的“绿色电视”， 除了在技术上选用了一种可回收性材料-高密度纤维模压 成型的机壳，在造型和风格上，也体现了简约、持久、安全的“绿色”感觉.,11,法国著名设计师菲利普斯塔克(Philip Starck, 1949-)是简约主义的代表人物。 菲利普是一位全才，设计领域涉及建筑设计、室内设计、电器产品设计、家具设计等等。他的家具设计异常简洁，基本上将造型减化到了最单纯但又十分典雅的形态，从视觉上和材料的使用上都体现了“少就是多“的原则。斯塔克设计的路易20椅及圆桌。椅子的前腿、座位及靠背由塑料一体化成型，就好像靠在铸铝后腿上的人体,简洁而又幽默。,6-1 生态环境材料,产品设计材料概论,6,发展中的新材料,12,法国著名设计师菲利普斯塔克设计作品,6-1 生态环境材料,产品设计材料概论,6,发展中的新材料,13,法国著名设计师菲利普斯塔克设计作品,6-1 生态环境材料,产品设计材料概论,6,发展中的新材料,14,2.常见的无机非金属生态环境材料及工艺,6-1 生态环境材料,产品设计材料概论,6,发展中的新材料,15,3. 高分子生态环境材料及工艺 （1）高分子生态环境材料,废塑料纤维化； 废塑料木材化； 废塑料土工制品化；,高分子生态环境材料,产品设计材料概论,6,发展中的新材料,木纤维代替塑料的绿色椅子设计（2007）,16,绿色材料、环保工艺，安比时尚倡导绿色生活享受。,越来越多的家具和家居都开始倡导 绿色环保材料和设计，这都是未来 发展趋势，设计师应该把握这种趋势， 创造出优秀、生态的产品设计。,17,绿色材料、环保工艺，安比时尚倡导绿色生活享受。,越来越多的家具和家居都开始倡导 绿色环保材料和设计，这都是未来 发展趋势，设计师应该把握这种趋势 ，创造出优秀、生态的产品设计。,18,绿色材料、环保工艺，安比时尚倡导绿色生活享受。,越来越多的家具和家居都开始倡导 绿色环保材料和设计，这都是未来 发展趋势，设计师应该把握这种趋势 ，创造出优秀、生态的产品设计。,19,3. 高分子生态环境材料及工艺 （1）高分子生态环境材料,将PS废塑料与其他材料共混，制成各种用途的井盖、建筑材料、涂料、黏结剂、防水材料、阻燃剂、涂饰剂、增塑剂等； PU、 PF、不饱和聚酯、环氧树脂等热固性塑料可与其他材料混合使用，既可降低成本，又能提高某个方面的性能。总之，共混再生利用技术简便易行，几乎适用于任何一种废旧高分子材料。,高分子生态环境材料,可回收无毒无害的塑料盒,产品设计材料概论,6,发展中的新材料,20,3. 高分子生态环境材料及工艺 （1）高分子生态环境材料,PET塑料瓶,产品设计材料概论,6,发展中的新材料,PET瓶的回收技术在国外已达到相当高的水平，美国、德国等国家回收率 现已达80%以上。不仅如此，为方便回收，这些国家还专门制订了一些地方 性法规，对PET瓶的废弃、收集、使用、设计制造了强制性的规定。,21,可降解塑料：,微生物降解； 大型微生物降解； 光降解； 化学降解。,降解方式,全生物降解剪纸刀,6-1 生态环境材料,产品设计材料概论,6,发展中的新材料,22,可降解塑料：,微生物降解； 大型微生物降解； 光降解； 化学降解。,降解方式,全生物降解方便面盒,6-1 生态环境材料,产品设计材料概论,6,发展中的新材料,23,可降解塑料：,微生物降解； 大型微生物降解； 光降解； 化学降解。,降解方式,化学降解果蔬瓶,6-1 生态环境材料,产品设计材料概论,6,发展中的新材料,24,可降解塑料：,化学降解花盆,6-1 生态环境材料,产品设计材料概论,6,发展中的新材料,生物降解点断式垃圾带,25,目前已商品化的生物降解材料,“Novon”，是以马铃薯、玉米、小麦和大米淀粉为主要成分，添加生物降解助剂制成的天然聚合物。其制品的强度和外观都与普通塑料制品相当。 “Mater-Bi”。由Novament公司生产的这种产品的主要成分包括热塑性淀粉、天然添加剂以及其他可生物降解的合成材料(如EVOH和PCL)。这类材料在包装行业已逐步得到认可，被认为是最有希望取代聚烯烃的材料。,6-1 生态环境材料,产品设计材料概论,6,发展中的新材料,26,（1）有机聚合材料与有机复合材料的可再生循环工艺 有机聚合材料的可再生循环工艺 塑料的再生循环技术大致可以分为两类： 一类是将回收废旧塑料作为原材料使用；另一类是将回收废旧塑料分解成单体，然后重新合成新塑料。,可再生循环工艺,材料再生循环法 材料再生循环法的思路是在塑料功能丧失之前，将废塑料作为原料多次再生循环使用。在实际再生循环过程中，由于杂质混入及加工过程的影响，塑料的某些性能不可避免地要退化。因此，经材料再生循环法制成的再生塑料，存在一个降级使用的问题。 化学再生循环法 化学再生循环法的基本思路是将回收废塑料作为资源，以石油或单体形式利用。将回收废塑料通过水解或解聚，分解成原始材料的单体或低聚物，然后重新合成为塑料初级产品，或者返回到石油状态以便再生利用。,6-2 材料的回收利用,产品设计材料概论,7,发展中的新材料,27,（2）纸张、玻璃、金属（以铝、铁为例）等材料的回收利用 材料的回收利用在现代工业生产显得非常重要，既可以节约资源，可以节约成本，而且可以减少环境污染。 了解哪些材料可以回收以及如何回收对于设计师来说非常重要，这样才能使材料得到恰当的运用或得以重复利用，这是设计师应当具备的社会责任感。,6-2 材料的回收利用,产品设计材料概论,7,发展中的新材料,28,讨论： 1、生活中材料使用的不合理之处，通过讨论提出提出可以重新利用和再设计的方法。 要求：每组2人，至少找出2中生活中材料利用的不合理的 方面包括浪费等，给出再利用的方法和途径。,29,智能材料的内涵与定义,6-2 智能材料,发展中的新材料,6,30,智能材料的 生物功能之一,自诊断功能,自动动态平衡及自适应功能,学习能力和预见性功能,信息积累和识别功能,对现在情况和过去情况作比较，从而能对诸如故障及判断失误等问题进行自诊断和校正的功能。,能积累信息，能识别和区分传感网络得到的各种信息，并进行分析和解释的功能。,通过对过去经验的收集，对外部刺激作出适当反应，并可预见未来并采取适当的行动的功能。,根据动态的外部环境条件不断自动调整自身的内部结构，从而改变自己的行为，以一种优化的方式对环境变化作出响应的功能。,发展中的新材料,6,31,通过自生长或原位复合等再生机制，来修补某些局部破损的功能。,通过传感神经网络，对系统的输入输出信息进行比较，并将结果提供给控制系统，从而获得理想的功能。,根据环境变化适时地动态调节自身并作出反应的功能。,智能材料的 生物功能之二,反馈功能,自修复功能,响应性功能,能感知自身所处的环境与条件，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度及其变化,传感功能,发展中的新材料,6,32,智能材料的几种基本单元,定义,特性,光导纤维,利用两种介质面上光的全反射原理制成的光导元件,1,压电材料,指在外加机械力的作用下能发生强烈的极化现象并在其制品表面形成电荷，从而产生一定电压的材料,2,电（磁）流变液,3,反应灵敏、抗干扰 能力强和耗能低等 特点,应用于复合材料的固化状态的评估、工程结构的在线监测、材料的非破坏性评定、内部损伤的探测和评估等,响应速度快、频率高和应变小等特点,用作传感器、驱动器,应用,用于飞行器机翼和直升机转子等的减振器，健身器的旋转制动器，,电流变液是由高介电常数、低电导率的电介质颗粒分散于低介电常数的绝缘体中形成的悬浮体系。磁流变液是由母液和均匀散布其中的磁性固体制成的悬浮液,高电阻、高抗击穿强度、 高化学稳定性、耐久性好,基本单元,发展中的新材料,6,33,发展中的新材料,7,34,智能材料的类型,智能材料 的类型,将不同功能的材料颗粒按特定的方式进行操作组装，可创造出新的具有多功能的材料,多层薄膜复合,材料内部结构周期化的纳米化,纤维及颗粒形式 的复合,多孔架材料组装,将金属或半导体等细小颗粒弥散分布在第二种介质中构成薄膜状磁性材料等已得到广泛应用,将两种或几种材料以多层薄膜复合，可获得优化的综合性能或多功能性,这些材料大多具有良好的形状记忆效应、超弹性及力学性能,大多数智能材料系统的智能效应以及结构材料的智能化皆来自于材料内部的纳米尺度,粒子复合 组装,发展中的新材料,6,35,智能材料在工业设计中的应用,智能材料的应用前景,智能材料 的未来,空调机可以抑制震动而寂静工作,轮胎需要充气时会礼貌地通知司机,智能飞机的机翼可以像鸟的翅膀一样弯曲，自 动改变形状，从而提高升力和减小阻力,桥梁和电线杆在快要断裂是可以发出报警信 号，然后自动加固自身的构造；,发展中的新材料,6,36,6-3-1 纳米结构与纳米材料(nano material),发展中的新材料,6,37,6-3-2纳米材料的奇异特性,发展中的新材料,6,38,6-3-3几种典型的纳米材料,6.3.4纳米材料的用途,发展中的新材料,6,39,6-3-5未来纳米材料的应用举例,发展中的新材料,6,40,7-1 产品设计过程与选材,主要考虑以下问题： 是否符合所有的技术要求； 整个项目是否在价格允许的范围内； 所要求的速度和生产率以及外观造型是否达到。,7.1.1 产品设计阶段,画装配图以便检验画在纸上的设计制图是否合适。根据零件的要求，就可具体设计零件。在设计过程中，材料选择是这一阶段的关键问题之一。在图中必须表明零件的形状、尺寸、材料、合适的处理或特殊工序。,7.1.2 样机,7.1.3 装配、调试、投入使用,这一阶段所选用的材料，通过调试不能使用的，就应以新材料代替。,产品设计程序与选材方法,7,41,8,产品设计程序与选材方法,7-2 选择材料的因素,产品设计程序与选材方法,7,42,7-2 选择材料的因素,产品设计程序与选材方法,7,43,7-2 选择材料的因素,7.2.1 功能性因素,产品设计程序与选材方法,8,44,7-2 选择材料的因素,7.2.2 市场性因素,产品设计程序与选材方法,7,45,7-2 选择材料的因素,7.2.3 环境性因素,产品设计程序与选材方法,7,46,7-3 材料清单,产品设计程序与选材方法,7,47,7-4 常用草模材料及其运用,纸 （1）铜版纸 （2）白卡纸 （3）箱纸板 （4）白板纸 （5）吹塑纸板 石膏 泥 木材和竹材 苯板 发泡材料 玻璃钢,ABS板,石膏,产品设计程序与选材方法,7,48,
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