新材料在产品设计中的应用分析

李佳睿

（常州大学美术与设计学院，江苏 常州 213164）

材料的重要性不言而喻，几乎所有生活物资必需品都是由材料组成的，材料是人类智慧文明的表现，是推动社会发展的动力。材料的发展历史十分悠久，在历史发展的过程中，不同时期人们运用材料制作物品是不同的。随着时间的推移，人类的智慧在增长，对不同材料的特性有了初步了解。铁器时代，人们掌握冶炼铁的技术后，铁制的农具、工具在生产生活中广泛使用。伴随着时代的进步，人类对各种自然材质的特性了解也越来越精确，同时能够将不同的材料进行组合，产生的新材料比原来的更加优越和耐用。但是由于市场的无节制需求加上自然能源的过度开采，人们将目光看向了可持续发展的材料上。近些年来，人们通过新方法、新技术、新工艺等途径使传统材料的性能显著提升，或开发出传统材料所不具备的功能，也就是新材料，极大丰富了人类的生活。而新材料的研发与运用和一个国家的经济水平有着莫大的关系，这也是关注新材料的意义。

1 产品常见材料分析及挑战

在日常的产品设计中，需要用到多种材料，根据材料的特性，例如：坚硬程度、抗寒抗热、耐用性等，来将其应用于不同的产品中。无机非金属材料和有机高分子材料种类繁多，常见的有木材、玻璃、塑料、橡胶等。有一种材料十分特殊，它是不同材料元素组合而成，拥有众多的特性，不仅在坚硬性和耐寒抗热性上有卓越的表现，其重量也是十分轻盈，这种材料有十分广大的发展空间，这种材料就是复合型材料。比如当前的汽车外壳设计，在材料的选择上多采用硬度高的钢制材料和韧性高且重量较轻的铝制等材料，以及座椅等皮质材料，还有车灯等其他采用了塑料材料的部件。然而在全世界都盛行绿色和环保的大环境下，新一轮的挑战也接踵而来，汽车材料也避不开这种要求与责任，向着未来更绿色、更安全、更节能的方向寻求突破。随着汽车技术的发展，针对这些挑战，一些高新材料，拥有更加优越特性的材料，会在未来脱颖而出，成为最受欢迎的材料。

2 新材料的概念

在以往使用的材料当中，大多数材料都是自然材料的使用，自然材料的性能较低，所以为了适应市场的需求，人们尝试将不同的材料结合，从而产生一种新的材料，这种材料的性能更加优越，这种材料被称为新材料。新材料是在以往材料的性能基础上进行研究，通过不同材料的融合，特殊设备的加持，特殊的工艺手法，融合而成。这种材料广受欢迎，由于其优越的性能更能被人们所接受。

2.1 纳米材料

有一种材料，它和其他材料相比有更加优越的性能，这种材料重量十分轻盈，但是硬度强，耐热性高，同时在各个领域都能提供巨大的帮助，并且它的大小是在纳米尺度之内的，这种材料就是纳米材料。时代在进步，人类的生产技术和机械化生产同样也在进步，人类社会对于不同材料的各个优异特点也会认真挑选，对优异材料的需求也在日益增长，纳米材料作为新材料的一种，应用需求持续扩大。纳米的概念可以最早追溯到1959年，由诺贝尔物理学家查理费曼所提出来的。

纳米陶瓷可以定义为陶瓷体块经过高温烧结后，内部各种物相的显微尺寸包括晶粒大小和晶粒厚度等都在纳米的尺度范围内。传统陶瓷材料具有承受温度过热的特性、不易被腐蚀和侵蚀、具有较高的坚硬程度和较高的强度等优秀的特点。但传统陶瓷材料却有一个不可忽视的缺点——容易脆，这个缺点导致陶瓷材料在日常生活中一不小心就容易造成不可挽回的结果，因此在使用范围上需要严格控制，以防造成不必要的损失。对纳米陶瓷的期望不仅希望它能继承传统材料的种种优秀特点，而且希望可以强化和增韧陶瓷。

2.2 智能材料

一般来说，把能感知外部环境变化的材料或者说能感知刺激点的材料叫做智能材料，而且这种材料可以进行某种判断行为还可以同时做出合适的处理行为。这种具有智能性的材料是现在乃至未来很长一段时间国内材料发展重大方向，并将支撑着国家高新发展基础，实现我国产品材料功能结构化、多样化、智能化等。经过对科学家的调查，大家普遍认为智能材料的研发和广泛使用会在未来很长时间引起科学发展的重大革命。

虽然智能材料的运用将工业文明带到一个新的水平，但在普遍应用上仍有一定的难度。

3 智能变色材料

如果世界没了颜色，那所看见的一切都是黑白的，一切都显得不那么生动和不那么具有生机，也正是拥有鉴赏颜色的能力，人们将颜色渐渐应用在服饰、建筑、绘画、产品等等领域，不仅培养了人们鉴赏美的能力，也让人类生活变得丰富多彩。在欣赏颜色的同时，人们也开始关注一个问题：会不会有一种材料会自动变化颜色，就像变色龙这种动物一样？伴随着这一系列的问题，人们开始研究智能变色材料，并把它应用在产品中。变色材料，顾名思义就是颜色可以发生改变的材料，不过它就像变色龙一样，需要在激发源的刺激作用下才能发生。

3.1 光致变色材料

某种特殊的化合物在环境中接收到一定光照后会产生特定的化学反应，从而获得新的产物，这就是科学家们所说的光致变色现象。这些化合物在发生反应的时候，在结构发生某种特殊的变化然后导致自身的颜色发生变化，但是这些化合物在波长不同的光照之下，又会恢复成原来的样子。平常所见到的玻璃是透明的，这种变色玻璃在某种可见光源的刺激之下，会产生某种特殊的光吸收，会使玻璃这种有机物产生特殊的颜色变化，并且在这种特殊波段的光照停止后玻璃又会变成透明。所以由这种变色制作的窗户玻璃可以让直射的阳光变得很淡甚至让人感觉到柔和舒服。同样的道理变色玻璃制作太阳镜片也很合适。

3.2 热致变色材料

有些材料在遇到不同温度时，会因为温度的变化从而产生不同的颜色变化的特性，而会因为温度过高而发生颜色变化的材料，就叫它热致变色材料。

3.3 智能自我修复材料

人类和动物在受伤后，人类和动物的机理可以进行自我修复。而有一种材料可以模仿受伤后能够自我修复这一原理，在材料自己发生损伤后可以自我修复，这种智能材料称之为自我修复材料。在自然界的许多动物都具备自我修复的能力，当这些动物受伤时，可以通过自我修复能力来继续维持，大家最熟悉的例子：蝾螈、蜥蜴、壁虎、蚯蚓等。当大家偶感风寒，或者崴了脚，仍然可以继续日常生活，并在不久后便可自愈。现在，一些科学家也在探索着，让一些材料实现这种能力。

4 新材料选用与设计方法

4.1 设计师的选择分析

设计是什么？首先需要一个想法，而设计就是把这个想法能够艺术化地表现出来，在这中间需要进行精密的规划，考虑实施性，最后加入自己的思考。而设计师的要务是把一切美好事物表现得更加美好。而产品设计师需要考虑产品的性能和在加工工艺过程中材料的筛选，让材料可以有效促进机械化生产。对于设计师来说需要社会经验的积累，在设计公司内，需要有效的和客户进行沟通，充分考虑他人的建议，根据自己的专业水平，判断材料是否可用，开拓自己的思路，并能够结合本身的现实情况，根据材料的特性进行挑选。对于设计师来说考虑材料对于环境的影响同样重要，需加强对于环境保护的考虑，决不能造成或加重环境污染，要满足可持续发展的需要。

4.2 结合实际情况选用新材料

在进行产品设计和加工过程中，并不能因为新材料的某些优势，而不考虑可行性、成本、市场和用户的需求，强行使用新材料，不仅不能让新材料物尽其用，反而会使市场和用户的口碑下降，从而得不偿失。所以在某些产品的具体设计过程之中，设计师要懂得充分了解实际生产的需求，保证设计师了解新型材料的实际用途，熟悉新型材料制造的产品功能，精准定位产品的市场定位，保证其销售。由于新材料种类繁多且功能也是各有差异，设计师应能做出及时判断与筛选，并最终合理的采用。

5 产品设计中新材料的应用分析

5.1 纳米材料的应用

纳米材料的种种优异性具有广阔的应用前景，随之而来它的应用方面也不断扩大。有不少的大众在醉酒时可能会无意碰撞到玻璃啤酒瓶，最终导致玻璃啤酒瓶的损坏和破碎，造成人们或物品不必要的受伤和破损。在一些人们聚集的地方，容易破损的玻璃啤酒瓶会遭到人们抵制，比如运动场地，在外国经常可以看见在运动比赛过程中，观众由于对比赛进程中可能的一些不满，导致对场地投掷啤酒瓶。这一款玻璃酒瓶对于公共场合人群造成的危害和对设备造成的危害和潜在危害都是不可忽视的，同时为了节约生产的物料及人工成本，一些制酒厂商开始对纳米材料的啤酒瓶产生浓厚兴趣并且对于其功能和效用抱有极高的期待，大量相关产品开始研发制造，投入生产。米勒醇酒公司制造塑料啤酒是采用黏土纳米材料制造的，作为微小加固型材料具有可保留二氧化碳的能力，以此来避免啤酒的变质。同时，它具有不容易破损和碎裂，强度及延展性高，耐用性强等特点。目前国内接近90%的啤酒用玻璃瓶包装，用玻璃瓶容器包装啤酒有以下劣势：瓶体笨重、安全性不佳、容易破损、成本高等。由于纳米材料制成的产品质量轻、耐摔耐磨、硬度高、因此在安全运输中磨损程度低、破损程度小，所以未来可用于制作或包装啤酒瓶。

5.2 纳米陶瓷的应用

在日常生活中，刀具是家庭中不可或缺的，而应用纳米材料制作的刀具，其主要成分为纳米材料的纳米氧化铝。如今，纳米陶瓷刀的运用十分宽泛，从原来的只有航天航空高科技领域使用，到现在已经深入普通百姓家庭，未来的趋势就是纳米陶瓷刀替代普通金属刀，伴随着环保这一概念，对于刀具也提出了健康环保的要求，这也是大众所梦寐以求的生活状态。在家庭中使用传统金属刀具时，由于传统金属刀具表面有许多细微小孔，在切割食物和料理食材时，会有汤汁或肉汁残留在这些细孔中，并与金属刀具中的微量元素发生反应，最终形成异味。而纳米陶瓷刀可以很好解决这点，因为纳米陶瓷刀的密度很高，表面无任何细孔并且是纳米陶瓷研制，不会有异味，同时也减少了细菌的滋生。除此以外，纳米陶瓷刀还有许多优异的特点：①具有很坚硬的程度和耐摩擦性。②绿色健康、无任何毒害、卫生。纳米陶瓷刀不含任何重金属，所以更加健康。③外形更加纤美轻便，纳米陶瓷刀的质量更加轻巧，即便较长时间使用，也会感到舒适自如，更加轻松顺手，让厨房更显乐趣。

5.3 智能材料的应用

合理的材料选择对于产品设计的实现是一种保障，可以通过产品发现出设计师的设计风格和设计思想。有些材料可以通过吸收紫外线和光源来使自身发生颜色的变化，这一性能让物质本身固有色不会变化这一概念得到了更多的认识。为了防止阳光、紫外线辐射和确保安全，光致变色材料可应用于包装窗的生产、建筑窗、汽车挡风玻璃。在服装包装领域，光致变色材料主要用于与纺织制造技术的合作。采用光致变色材料和物质相结合的方法，分析了光致变色材料在服装产品中的使用价值，和在产品设计中的应用。它还涵盖了创新的设计理念，也适用于设计师。

6 结语

材料与设计的关系是紧密相联的，材料是设计的基础，而设计可以更好地发挥材料的用途。新材料的出现，让以人为本的产品设计发掘出了更多的可能性与选择性。新材料的应用可以有效改善人们的生活、工作环境，还可以很大程度上促进设计行业的可持续发展。还有许多正在探索着的新型复合材料与材料技术，为产品设计领域乃至整个设计领域提供了广阔的发展空间，带来了新的活力与生命力。在对材料不断了解后，对于已知的传统材料也会进行不断地更新，改进其缺点和弊端。设计师可以在设计中发挥更多的创意，成就更多可能，为设计注入新的灵魂。