产品设计中的可持续材料研究与发展

摘要：在全球可持续发展理念日益深入的背景下，产品设计领域正经历着重大变革。聚焦于可持续材料在产品设计中的应用，探讨其研究现状、发展趋势及面临的挑战，并剖析可持续材料在产品设计中的创新应用及其影响因素。研究发现，生物基材料、可回收材料和智能材料是目前可持续材料研究的3个主要方向。然而，材料性能、经济可行性、政策支持和社会认知等因素仍然制约着可持续材料的广泛应用。基于研究结果，提出一系列促进可持续材料在产品设计中应用的策略，涵盖技术创新、设计方法、政策法规和教育培训等多个维度。这项研究不仅为产品设计领域的可持续转型提供了理论依据，而且为相关政策制定和企业实践提供了有价值的指导。

关键词：可持续材料；产品设计；绿色创新；生命周期评估；循环经济

中图分类号：O635.1 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）09-0-03

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Sustainable Materials Research and Development in Product Design

LIU Yu

（College of Art and Design， Heilongjiang Institute of Technology， Harbin 150050， China）

Abstract： In the context of the increasingly deepening global concept of sustainable development， the field of product design is undergoing significant changes. Focusing on the application of sustainable materials in product design， this article explores their research status， development trends， and challenges， and analyzes the innovative applications and influencing factors of sustainable materials in product design. Research has found that bio based materials， recyclable materials， and smart materials are currently the three main directions of sustainable material research. However， factors such as material properties， economic feasibility， policy support， and social awareness still constrain the widespread application of sustainable materials. Based on the research results， a series of strategies have been proposed to promote the application of sustainable materials in product design， covering multiple dimensions such as technological innovation， design methods， policies and regulations， and education and training. This study not only provides a theoretical basis for sustainable transformation in the field of product design， but also provides valuable guidance for relevant policy formulation and corporate practice.

Keywords： sustainable materials; product design; green innovation; life cycle assessment; circular economy

产品设计作为连接生产和消费的关键环节，在推动可持续发展中扮演着重要角色。材料选择直接影响产品的环境足迹和资源效率。因此，将可持续材料融入产品设计成为学术界和产业界的焦点。本研究旨在梳理可持续材料在产品设计中的应用现状，分析其发展趋势和挑战，并提出相应策略，为推动产品设计的可持续转型提供新思路。

1 可持续材料在产品设计中的重要性

1.1 可持续发展背景下产品设计的新要求

全球环境问题日益严峻，资源短缺矛盾加剧，产品设计作为连接生产和消费的关键环节，面临着前所未有的挑战和机遇。设计师需要在满足功能和美学需求的同时，考虑产品全生命周期的环境影响[1]。这种转变要求设计师具备更全面的视角，将环境友好性和资源效率作为核心考量因素。

1.2 可持续材料的定义与特征

可持续材料是指在生命周期内对环境和社会产生较小负面影响的材料，通常具有可再生、可回收、低碳排放等特征，主要包括生物基材料、可回收材料和智能材料。生物基材料源自可再生资源，如竹纤维、麻纤维等。可回收材料能够在使用后回收再利用，如某些塑料和金属。智能材料具有响应环境变化的特性，可延长产品寿命或提高使用效率。可持续材料生命周期如图1所示。

1.3 可持续材料对产品设计的影响

可持续材料的特性为产品创新提供了新的可能性，如生物降解包装能够解决塑料污染问题，智能材料能够实现产品自我修复[2]。可持续材料的应用推动了产品生命周期管理的创新，促进了循环经济模式的发展。通过选择合适的可持续材料，可以显著降低产品的碳足迹，同时为消费者创造更多价值。

2 产品设计中可持续材料的研究现状

2.1 可持续材料的分类及其在产品设计中的应用

可持续材料在产品设计中的应用日益广泛。生物基材料如聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）已在包装和家居产品中得到应用。可回收材料如回收聚酯广泛应用于服装和容器设计。智能材料如形状记忆合金在医疗器械和汽车工业中的应用，提高了产品的适应性和耐用性。可持续材料在不同产品领域的应用比例如表1所示。从表1可以看出，可回收材料在大多数领域都有较高的应用比例，特别是在包装和消费电子领域。生物基材料在家具和包装领域应用较多，而智能材料虽然总体应用比例较低，但在交通工具领域已有一定应用。

2.2 可持续材料的性能评估方法

可持续材料的性能评估主要采用生命周期评估（Life Cycle Assessment，LCA）、循环经济指标及多准则决策方法[3]。LCA全面考虑材料从原料提取到最终处置的全过程环境影响。循环经济指标侧重评估材料的可回收性和再生能力。多准则决策方法综合考虑材料的性能、环境影响及经济性，帮助设计师做出最优选择。这些方法的综合运用为选择合适的可持续材料提供了科学依据。

2.3 可持续材料在不同产品领域的应用案例分析

可持续材料在消费电子、家具、包装及交通工具等领域都有成功的应用案例。在消费电子领域，回收铝材料用于制造手机外壳，减少了原生铝的使用。在家具设计中，竹材逐渐替代传统木材。包装领域则广泛应用可降解材料。交通工具设计中，轻量化材料的应用显著提高了能源效率。

可持续材料应用案例的环境影响和性能变化如表2所示。表2中展示了4个具体的产品案例，使用不同类型的可持续材料后，这些产品在碳排放、质量和回收率等方面都有显著改善。

3 可持续材料在产品设计中应用的发展趋势

可持续材料在产品设计中的应用呈现出多元化的发展趋势。在材料创新方面，高性能生物基材料、先进可回收技术及多功能智能材料成为研究重点。设计方法与工具不断革新，参数化设计、仿生方法以及数字孪生技术的应用提高了设计效率和准确性。商业模式与供应链也在深刻变革，产品服务系统的推广、闭环供应链的建立以及本地化生产的兴起，为可持续材料的应用创造了新机遇[4]。同时，日益严格的环境政策、产品标准和绿色采购制度正在形成有利的制度环境，共同推动可持续材料在产品设计中的应用，促进产业向更环保、更可持续的方向发展。

4 可持续材料在产品设计中应用面临的挑战

可持续材料在产品设计中的应用面临多方面的挑战。

首先，在技术层面，性能差距、加工工艺适应性以及长期耐久性是主要问题。其次，在经济方面，高研发投入、规模化生产成本及消费者支付意愿低，制约了其广泛应用。再次，政策法规不完善，包括标准体系不统一、激励机制不足以及跨行业协调困难，不利于可持续材料的推广。最后，设计师和消费者对可持续材料的认知局限同样是一个重要挑战。设计师知识储备和应用经验不足，而消费者的传统审美观念和对可持续产品全生命周期价值认知偏差，都会影响可持续材料的创新应用和市场接受度。克服这些挑战需要多方协同努力，包括技术创新、政策支持以及教育推广。

5 促进可持续材料在产品设计中应用的策略

5.1 加强技术创新与产学研合作

建立跨学科研究平台，组建联合研究中心攻克技术难题。设立专项基金推动材料性能优化和工艺突破。建立科技成果转化平台，促进可持续材料技术快速产业化。这些措施有助于解决技术挑战，推动可持续材料在产品设计中的创新应用。

5.2 完善设计方法和工具

开发可持续材料设计指南和标准，涵盖材料选择、结构设计以及加工工艺。构建综合材料数据库和决策支持系统，配备智能推荐算法。推广基于生命周期思维的系统设计方法。这些举措为设计师提供实用参考，助力可持续设计决策。

5.3 创新商业模式和供应链管理

探索基于可持续材料的新型商业模式，如产品即服务。优化供应链，建立材料回收网络，发展本地化生产。在产品设计阶段考虑材料可拆解性和可回收性，建立回收再利用体系[5]。这些策略能够创造新市场机会，推动可持续材料广泛应用。

5.4 完善政策法规和标准体系

制定统一的可持续材料评估标准，实施财税激励和市场准入政策。建立行业联盟或平台，促进产业链各环节协同合作与信息共享。这些措施有助于消除市场混淆，为企业提供明确指导，创造有利的外部环境，推动可持续材料的广泛应用。

6 结论

本研究探讨了可持续材料在产品设计中的应用现状、发展趋势及面临的挑战。研究表明，生物基材料、可回收材料和智能材料是当前研究的主要方向，但其广泛应用仍受到技术、经济和政策等因素的制约。因此，提出了加强技术创新、完善设计方法、创新商业模式及完善政策法规等策略。未来，随着各方面条件的改善，可持续材料在产品设计中的应用将进一步深化，为全球可持续发展做出重要贡献。

参考文献

1 张佳琪，曾 勇.浅谈以可持续设计为主的未来产品设计探究[J].鞋类工艺与设计，2024（11）：153-155.

2 郭怡涵.基于可持续发展理念的中式家具创新设计策略[J].明日风尚，2024（11）：94-96.

3 王思佳，黄黎清，李明珠.产品服务系统设计思维下的校园快递包装可持续系统设计研究[J].设计，2024（9）：128-131.

4 陈书琴，尚 华.基于“可持续理论”的产品包装设计[J].美与时代，2024（3）：78-81.

5 莫忠才，聂 影，徐杨丽.可持续性理念在产品设计中的应用研究[J].工业设计，2023（11）：24-27.