现代新型材料在设计中的应用探究
摘要
随着社会经济和信息科技的发展，新型材料已逐步成为设计的一个重要元素，对于完善产品的功能和丰富产品的内涵有着重要的作用。在日趋激烈的产业竞争环境中，只有使企业和设计师认识到应用新型材料的重要性、以及新型材料在竞争中发挥的巨大的优势，才能促使企业提升市场竞争力。21世纪是以新型材料为重要基础的知识经济时代，只有掌握了最先进的材料，才能在高技术及产业的发展上占有主动权。
关键词：新型材料
设计
应用
探究
前言
本文从设计的角度对新型材料进行探索，为设计拓宽更加宽广的创作空间。设计是科学技术与人文艺术的有机结合，实现产品的使用功能需要科学技术来支持，落实到材料，就要求材料具有某些特定的物理性能、化学性能等；能够满足人们的生活需求。因此，本文将认真分析新型材料的基本性能，深入了解各种材料的新特性，探讨材料与人之间的对应关系，使新型材料能更好地为设计服务，通过实例分析，总结设计选择新型材料的方法、原则及一般规律，为设计师提供选择、应用新型材料的一般依据。 正文
一、现代新型材料概述
新型材料是高新技术的基础和先导，其本身也能形成很大的高新技术产业，当代高科技的竞争在很大程度上是新材料的发展和竞争，可以说任何高科技的进步都离不开新材料的发展和利用，谁掌握了关键新型材料的核心技术，谁就掌握了21世纪高新技术竞争的主动权，因而，材料科学已被公认为21世纪高科技产业的基石，并与信息技术、能源技术和生物技术一起列为21世纪最重要、最有发展潜力的领域。
新材料满足的条件：①新出现或正在发展中的具有传统材料所不具备的优异性能的材料；②高技术发展需要，具有特殊性能的材料；③由于采用新技术（工艺、装备），使材料性能比原有性能有明显提高，具有特殊性能的材料。
二、现代新型材料分类
同传统材料一样，新型材料也可以从结构组成、功能和应用领域等多种不同角度对其进行分类，不同的分类之间又相互交叉和嵌套。目前，一般按应用领域和当今的研究热点把新型材料分为以下的主要领域「1」：
电子信息材料、新能源材料、纳米材料、先进复合材料、先进陶瓷材料、生态环境材料、新型功能材料（含高温超导材料、磁性材料、金刚石薄膜、功能高分子材料等）、生物医用材料、高性能结构材料、智能材料、新型建筑及化工新材料等。
三、典型新型材料及在设计中的应用
1、电子信息材料
电子信息材料是指在微电子、光电子技术和新型元器件基础产品领域中所用的材料。电子信息材料产品支撑着现代通信、计算机、信息网络技术、微机械智能系统、工业自动化和家电等现代高技术产业。电子信息材料产业的发展规模和技术水平，已经成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志，在国民经济中具有重要战略地位，是科技创新和国际竞争最为激烈的材料领域。
（1）电子信息材料主要包括：
单晶硅为代表的半导体微电子材料；激光晶体为代表的光电子材料；介质陶瓷和热敏陶瓷为代表的电子陶瓷材料；钕铁硼（NdFeB）永磁材料为代表的磁性材料；光纤通信材料；磁存储和光盘存储为主的数据存储材料；压电晶体与薄膜材料；贮氢材料和锂离子嵌入材料为代表的绿色电池材料等「2」。
（2）电子信息材料发展的特点：
材料更新快、技术发展快、品种多；功能与容量增长快，性能价格不断改善；可靠性日益提高；小型化、集成化的范围日益增大，集成度不断提高等。 （3）电子信息材料在设计中应用的案例分析：
半导体照明材料即LED，以笔记本产品为例，采用白光LED作为液晶屏幕的背光源后，LED背光源以多组排列与底部放置，来代替传统的CCFL细灯管，在SONY VAIO TX笔记本上，就使用了40个LED发光元件「3」。
此设计的优势：用LED代替细灯管后，导光板可以用厚度均匀且可以把整体的厚度降低；对于笔记本等移动型产品而言，使用LED可以提高整机的使用时间，从而提升了移动时的持久性。
2、新能源材料
新能源材料包括太阳能、生物质能、核能、风能、地热、海洋能等一次能源以及二次能源中的氢能「4」。新能源则是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技能中所要用到的关键材料。主要包括储氢电极合金材料为代表的镍氢电池材料，嵌锂碳负极和LiCoO2正负为代表的锂离子电池材料、燃料电池材料、Si半导体材料为代表的太阳电池材料以及铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等。 (1) 新能源的特点：
相对于传统能源，新能源普遍具有污染少、储量大的特点，对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源（特别是化石能源）枯竭问题具有重要意义。同时，由于很多新能源分布均匀，对于解决由能源引发的战争也有着重要的意义。 (2) 新能源在设计中应用的案例分析：
以太阳能为例：太阳能光电产品通过太阳在光的作用下，转化为电能的过程，是一种利用高新技术研制的新能源，是21世纪人类所向往、所追求的新光源。
太阳能路灯设计分析：①节能，它利用自然光源，无需消耗电能，而且取之不尽用之不竭；②环保，符合绿色环保要求，无污染、无辐射、保护生态；③安全，由于产品部使用交流电，而且采用蓄电池吸收太阳能，通过低压直流电转化为光能，是最安全的电源；④科技含量高，产品的核心装置是智能控制器；⑤产品使用寿命长，安装成本低，维修方便；
3、纳米材料
纳米是一种衡量单位，三维空间中，至少有一维是在纳米级尺寸内的材料被称为纳米材料，一般小于100nm。在一维空间上为纳米级的材料被称为纳米纤维；在二维空间上为纳米级的材料被称为纳米薄膜；而在三维空间上位纳米级的材料被称为纳米晶材料。 （1）纳米材料的分类：
按形态分为微粒材料、固体材料、薄膜材料；按用途分为结构材料、功能材料，如催化、磁记录、传感材料等。按化学组成分为无机纳米材料、有机高分子纳米材料、无机-有机纳米复合材料。 （2）纳米材料的特性「5」：
纳米微粒：尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应
纳米固体材料：增强、增硬、增韧、奇异磁性、高扩散性、光吸收性等 （3）纳米材料的应用优势
①纳米材料具有催化作用：纳米颗粒的比表面积大、表面反应活性高、表面活性中心多、催化效率高、吸附能力强的优异性质使其在化工催化方面有着重要的应用，如汽车尾气净化催化剂、纳米先进催化材料等；
②纳米材料具有补强增韧的作用：纳米材料的小尺寸效应和宏观量子隧道效应使其产生淤渗作用，可深入到其它颗粒中，与不饱和键的电子云发生作用，进而与材料的大分子相互结合成立体网状，从而大幅度提高材料的强度、韧性、延展性；
③纳米材料具有光吸收作用：纳米微粒的尺寸与光波波长相当或更小导致光吸收显著增强；
④纳米材料具有抗红外线的作用；
⑤纳米材料具有抗菌、抑菌、除臭等方面的作用； ……
（4）纳米材料在设计中应用的案例分析：
图示为Wilson K Factor surge 100网球拍设计，材料为全新纳米碳纤维结构，特点：特工适应专业及业余球手的控球感及击球威力更佳，手感及可操纵性提高。 将纳米材料运用到体育用品设计中，不仅对产品的外观起到新颖美观独特的装饰作用，而且改善了产品的品质，如强度增加、韧性提高、质量变轻、使网球拍具有优异的操控性能和高反弹性等，同时使设计本身变得更简洁、合理、美观，更具时代感。
4、先进陶瓷材料
新型陶瓷是新型无机非金属材料，也成为先进陶瓷、高性能陶瓷、高技术陶瓷、精细陶瓷。它不同于利用黏土等天然原料而制成的传统陶瓷，新型陶瓷除了具有原料是人工合成的、化学成分纯度高，粉体粒度小等特点外，其成形和烧结等制备工艺需严格设计控制。 （1）先进陶瓷材料的特性：
与传统陶瓷相比，因为新型陶瓷的化学成分纯度高，微观结构细微，密度高，一般具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀等特性。除此之外，一些陶瓷材料显示很好的电磁、光学、生物等性能，从而起到了推动现代工业技术发展的重要作用「6」。
（2）先进陶瓷材料在设计中的应用分析：
①美国国防部及其下属部门对先进功能陶瓷的需求非常迫切，与先进陶瓷材 研发公司的合作非常活跃。2005年2月，Ceradyne公司获得530万美元的订单为其用于保护一些军队要人的陶瓷装甲防御系统。 ②图示为明基西门子S68限量版手机
相比早先推出的S68来说，这款限量版S68最大的区别就在于其采用了不锈钢材质制成，而后盖则采用了在1350摄氏度下高温锻造而成的陶瓷工艺，这种材质也通常会出现在汽车的刹车垫中。如此坚固的外壳也保证了明基西门子S68耐磨特性，在我们生活当中的磕碰丝毫不会对其产生伤害，其细腻的质地、温润的手感也是金属盒塑料无法企及的。
5、生态环境材料
生态环境材料并非仅特指新开发的新型材料、并不是排它的新材料体系，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。所谓生态环境材料，实质上是赋予传统结构材料、功能材料以及特别优异的环境协调性的材料，它是由材料工作者在环境意识指导下，或开发新型材料，或改进、改造传统材料所获得的「7」。 （1） 生态环境材料的特征：
① 节约能源；②节约资源；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舒适性；⑨环境清洁、治理功能。
（2） 生态环境材料的分类：
根据目前材料科学领域的通常分类方法，可以将生态环境材料分为：金属类生态环境材料、无机非金属类生态环境材料、高分子生态环境材料、天然资源生态环境材料和其他生态环境材料。
（3） 生态环境材料在设计中应用的案例分析：
图示为华硕EcoBook竹材笔记本，这款释义为“环境、生态笔记本电脑”的环保概念机型，外壳及键盘周边均用纹理清雅的竹材包覆，而且可以自行更换磨损的腕垫，报废后对环境的污染会比普通笔记本小很多。同时，中国独特的“竹”文化情结，也在EcoBook的天然发丝纹路和精致雕花中淋漓展现，使这款集结现代科技元素的产品散发出浓郁的东方气质。环保概念机EcoBook身上所折射的环保内涵十分值得推崇。
6、智能材料
智能材料（Intelligent material），是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。一般说来，智能材料有七大功能，即传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力。
（1）智能材料的分类「8」： ①嵌入式智能材料，又称智能材料结构或智能材料系统。在基体材料中，嵌入具有传感、动作和处理功能的三种原始材料。传感元件采集和检测外界环境给予的信息，控制处理器指挥和激励驱动元件，执行相应的动作
②有些材料微观结构本身就具有智能功能，能够随着环境和时间的变化改变自己的性能，如自滤玻璃、受辐射时性能自衰减的Inp半导体等。 （2）因为设计智能材料的两个指导思想是材料的多功能复合和材料的仿生设计，所以智能材料系统具有或部分具有如下的智能功能和生命特征：
①传感功能；②反馈功能；③信息识别与积累功能；④相应功能；⑤自诊断能力；⑥自修复能力；⑦自调节能力。 （3）智能材料在设计中的应用案例分析 图示为ElekTex电子智能织物键盘，采用100﹪织物质地制成，柔软可自由卷曲，十分纤薄，重量只有2.4盎司，防水，超耐磨，可满足智能电话、PDA以及各种手持设备及上网需要。其蓝牙无线技术，更使得携带方便，卷两下放在口袋就行了。智能材料及其工艺的应用使得设计的产品具有新的感知属性，智能织物很轻，但材料里却包含有转换和感应元件，能依据3D模型来进行变形。它持久耐用，物有所值，可洗涤且耐磨损，其在设计领域的应用具有重要的意义。
四、现代新型材料的选择方法
在设计中，当新材料性能难以满足产品性能或寿命要求时就需要改进，或是求助于材料科学家研发能满足这种需要的新材料。此外，新材料往往是各向异性的，因此，结合使用新材料的取向和产品功能需求分析使材料性能得以最优发挥是设计选材的一个重要因素。
五、应用现代新型材料的原则
（1）新型材料的选择首先考虑产品的功能需求：功能是设计中居于主导地位的因素，要实现这些功能，所选材料必须具备能够满足这种功能需求的性能。
（2）新型材料的选用要考虑用户的情感需求：当今社会史一个注重人性化的时代，人们的感受，体验，情感越来越受到重视，人们对于产品的选择也从过去单纯的功能考虑转化为精神层次上的追求。
（3）新型材料的选择要考虑环境的需求：绿色材料的概念已引起人们的高度重视。
（4）新型材料的选择要具有创新需求：利用新型材料赋予产品更优良的性能，提升产品的质感。
结论 参考文献 「1」李全林.《前沿领域新材料》 东南大学出版社，2008.12， 5-6
「2」百度，电子信息材料分类 「3」李全林，《前沿领域新材料》 南京：东南大学出版社，2008.12，129-131 「4」谭毅，李敬锋，《新材料概论》 北京：冶金工业出版社，2004.3，69 「5」周瑞发，韩雅芳，《高技术新材料使用性能导论》 北京：国防工业出版社，2009.4,324-326 「6」谭毅，李敬锋，《新材料概论》 北京：冶金工业出版社，2004.3，199 「7」李全林，《前沿领域新材料》 南京：东南大学出版社，2008.12，555 「8」百度，智能材料分类
「图1」李全林，《前沿领域新材料》 南京：东南大学出版社，2008.12，129 「图2」百度，太阳能路灯
「图3」百度，Wilson K Factor surge纳米网球拍 「图4」百度，明基西门子S68限量版手机 「图5」百度，华硕EcoBook竹材笔记本 「图6」百度，ElekTex电子智能织物键盘
