1.4 产品设计常用材料特性与应用

在产品造型与结构的设计中，材料与加工工艺始终是绕不过去的重要因素，缺乏合适的材料与加工工艺的支撑通常会导致两个结果，一是产品造型或结构无法成型，二是达到设计要求的成本过高。因此在本节对产品材料和加工知识进行基本介绍，具体内容在后续章节中将逐步展现。

产品的造型与功能是依附于产品材料和形态而存在的，产品材料是指用于产品设计与生产的所有物质。产品设计所涉及的材料十分广泛，有天然材料与人工材料、单一材料与复合材料之分，不同的材料有不同的性能、使用范围、加工方法，材料的使用直接影响产品的功能、形态、耐久性、强度、安全等。在产品制造材料的选择上要遵循以下5个原则：（1）材料的性能应满足产品功能的需要；（2）材料应有良好的工艺性能，符合加工成型的要求和表面处理的要求，与现有的加工设备与工艺技术相适应；（3）尽量选用资源丰富、价格便宜、对环境和自然资源无破坏的材料；（4）紧随时代潮流，不断研究新材料、新技术，及时将新材料运用到产品设计中。产品设计常用的材料包括塑料、金属、陶瓷、玻璃、木材等。

1.4.1 塑料

塑料是一种以天然树脂或者合成树脂为主要成分，从石油中提取，适当加入添加剂，在一定温度、压力下塑制成型的高分子有机材料。数据显示，1950年全球塑料产量是200万吨，而到了2015年则增加至4.4亿吨，这一产量超过了除水泥、钢铁外的任何一种人造材料。

塑料又可以分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。热塑性塑料的特点是加热时熔化而在冷却时变硬，这一特点使得热塑性塑料可以回收再利用，如图1-4-1所示；热固性塑料受热不熔化，趋向于降解，回收周期比较长。大多数的塑料具有透明性，着色后具有光泽和色彩鲜艳的特点，如图1-4-2所示。塑料强度较高，抗冲击性好，耐腐蚀，电绝缘性好，适宜各类成型加工。同时塑料导热性差、热稳定性差，易收缩变形，在长期使用的情况下化学结构由于环境因素容易受到破坏，导致机械性能下降，最终容易老化。相对于其他材料，塑料重量较轻，通过多种成型方式可以获得较为复杂的形态，在各个产品领域都有广泛的应用且使用比重越来越大。塑料的成型方式主要是模具成型，具体内容见第4章。

1.4.2 金属

金属具有金属光泽，是热和电的良好导体，具有优良的力学性和可加工性，同时金属的光泽源于材质对光的反射和折射，具有与生俱来的工业感与科技感，显示出一种强烈的现代科技的美感，是产品设计的主要材料之一。金属材料加工工艺选择丰富，成型强度好，不易变形，耐久度好，不管是作为产品的外观件还是结构件都非常合适，是最早进行大规模应用的产品材料之一。金属材料经常用于制作产品壳体（见图1-4-3、图1-4-4）或零件，也可以作为装饰材料使用，如图1-4-5所示为指纹密码锁的金属边框。常用作产品造型的金属材料有钢铁，包括冷轧板、热轧板、铸铁、铸钢、不锈钢板、各类型材等；铝及铝合金，比如铝镁合金；其他合金。通过喷塑、烤漆、电镀、氧化等表面处理方法可以让金属表面产生不同的质感。

在工业设计领域常用的金属加工工艺以铸造加工（见图1-4-6）、压力加工、钣金加工（见图1-4-7）、铣削加工（见图1-4-8）为主，其他加工方法辅助，具体工艺见第5章内容。

1.4.3 陶瓷

用陶土烧制的器皿称为陶器，用瓷土烧制的器皿称为瓷器，陶瓷则是陶器、炻器和瓷器的总称。凡是用陶土和瓷土这两种不同性质的黏土为原料，经过配料、成型、干燥、焙烧等工艺流程制成的器物都可以称为陶瓷。陶瓷在各个时代都有非常典型的技术与艺术特征。陶瓷按照性能功用可分为普通陶瓷和特种陶瓷两种。

可塑成型是陶瓷制品成型的传统方式，其基本方法有拉坯、印坯、旋坯、滚压、挤压等。大批量工业生产中的陶瓷制品，主要采用模具技术，将制备好的坯料泥浆注入多孔性模具如石膏模具内，由于多孔性模具的吸水性，泥浆贴近模壁的一层被模具吸水而形成均匀的泥层，当达到一定厚度后生成坯体再进行烧制。陶瓷制品通常表现为空心回转体的薄壁结构，如碗、花瓶、酒瓶等，俯视图的平面特征显示为同心圆结构；全剖视图的平面特征显示为对称结构。非回转体结构只要符合开模规律也是可以大批量成型的，但必须是空心薄壁结构，因为实心陶瓷烧制困难，不容易烧透，不仅过重而且缺乏实用价值（特殊用途的陶瓷制品除外，如结构陶瓷、电子陶瓷等）。生活中常见的陶瓷制品有餐具、茶具（见图1-4-9）、工艺品、卫浴用品（见图1-4-10）、瓷砖等。

1.4.4 玻璃

玻璃是由二氧化硅和其他化学物质熔融在一起形成的硅酸盐类非金属材料，又硬又脆，通常为透明状态，具有良好的抗风化、抗化学介质腐蚀（氢氟酸除外）的特性。世界最早的玻璃制造者为古埃及人，玻璃已有四千多年的历史。

玻璃一般用于制作容器或工艺品，与陶瓷类似，不过制作玻璃不存在烧制的问题，因此实心的玻璃工艺品也十分常见。现代玻璃制品中大量采用模具成型，对玻璃制品造型工艺上的限制比较少。需要注意的是，由于玻璃自身易碎、易裂的物理特性，在设计的时候要考虑到这点，造型上应予以优化。生活中常见的玻璃制品有瓶罐（见图1-4-11）、台面、显示器屏幕、各类玻璃罩壳（见图1-4-12）等。

1.4.5 木材

木材是由裸子植物和被子植物的树木产生的天然材料，是人们生活中不可缺少的再生绿色资源。木材因取得和加工容易，自古以来就是一种主要的建筑、家居产品、工艺品的制作材料，与人有一种天然的亲近感。在设计中，可以充分利用木材的色调和纹理的自然美感，创作出富有生活气息和艺术性的产品，如图1-4-13、图1-4-14所示为木质肥皂盒和木质玩具。木材既可以单独使用，又可以和其他材料搭配使用，创造出别样的视觉效果，比如B&O公司2017年推出的BeoLab 50音箱（见图1-4-15、图1-4-16），木格栅加铝制框体的设计，浑然天成，整体看上去相当有质感。