设计材料及加工工艺.doc

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1、碳纤维复合材料与产品设计姓名:学号：班级：指导老师：摘要随着现代科学技术的发展,对材料性能的要求越来越高﹑越来越全面。除了要求材料具有高强度﹑高模量﹑耐高温﹑低密度外,还对材料的韧性﹑耐磨﹑耐腐蚀﹑电性能等提出了种种特殊要求。更特殊的是有些制品要求材料具有一些相互矛盾的性能,如导电且绝热;强度高弹性好,又能焊接等。这对单一材料来说是无法实现的,通过采用复合技术,把一些不同性能的材料复合起来,取长补短,来实现这些性能要求,于是就出现了现代复合材料。关键词：碳纤维复合材料产品设计在复合材料大家族中，碳纤维复合材料是一种发展迅速﹑应用广泛的复合材来

2、。碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维的化学性能具有稳定的价态和化学性质;具有耐强酸﹑耐强碱等优异性能;具有耐高温﹑耐磨擦﹑导电﹑导热的物理性能,比重不到钢的1/4,抗拉强度是钢的7～9倍。碳纤维的这些优点让它广泛的应用在各个领域,如：航空航天和军工﹑新型纺织机械﹑碳纤维复合芯电缆﹑油田钻探﹑风力发电叶片﹑核电﹑医疗器械

3、﹑汽车构件﹑建筑补强材料﹑文体用品等领域，在现代社会中发挥着重要的作用。碳纤维复合材料有三种类型,分别是：（一）碳纤维树脂复合材料：其中基体树脂主要采用环氧树脂﹑酚醛树脂和聚四氟乙烯。这类复合材料的密度比铝轻，比强度﹑比模量比钢大，疲劳强度高，冲击韧性好，同时耐水和湿气，化学稳定性高，摩擦系数小，导热性好，受X射线辐射时强度和模量变化不变化等，总之其性能比玻璃钢优越，可以用作宇宙飞行器的外层材料，人造卫星和火箭的机架﹑壳体﹑天线构架，做各种机器中的轮齿﹑轴承等受载磨损零件﹑活塞﹑密封圈等受损摩擦件，也可用作化工零件和容器等。但，这类材料的主要

4、问题是碳纤维与树脂的黏结力不够大，各向异性强度比较高，耐高温性能差等。（二）碳纤维金属复合材料：可在碳纤维表面镀金属制成，它在接近金属熔点时，仍具有很好的强度和弹性模量。用碳纤维和铝合金制成的复合材料是一种减模性能比铝锡合金更优越﹑强度很高的高级轴承材料。比如这款ThinkPadT系列的机壳，是用碳纤维金属复合材料制成，在碳纤维中掺入镁或钛颗粒，两者的优缺点相互补充，达到既坚固又轻便的终极目标。不过碳纤维复合材料的成型较难，废品率一直居高不下，加之原材料价格较高，成为目前最昂贵的机壳材料。（三）碳纤维陶器复合材料：经过碳纤维增强的陶瓷，无论在

5、抗机械冲击性还是抗热冲击性方面都有极大地提高，这在很大程度上克服了陶器的脆性，同时又保存了陶瓷原有的许多优异的性能。如：保时捷的复合陶瓷刹车盘。从上面的论述可知，碳纤维复合材料有着众多的优点，在社会的各个领域有着广泛的应用，与我们的日常生活密切相关，那么它在产品设计中有什么应用,与产品设计又有什么关系？作为工业设计专业的学生，我们要认真的探索﹑思考，让它给我们的产品设计带来新的飞跃。放开人类进化史，我们不难发现，材料的开发﹑使用和完善贯穿其中，与人类的生活和社会的发展密不可分。人类的设计意识与使用材料是并生共存的，任何设计都要通过材料来实现。

6、产品造型设计的过程实质上是对材料的理解和认识的过程，是“造物”与“创新”的过程，是应用的过程。我之所以选碳纤维复合材料作为本次探讨的对象，是因为我认为碳纤维复合材料将在未来市场上的应用越来越广泛，越来越重要，作为一名学习工业设计专业的学生，了解并掌握一定的新兴材料知识对我未来从事产品设计类工作是非常重要的，因为新型材料的会产生不同的成型加工方法和工艺制作方法，从而导致产品结构的巨大变化，这将对设计师的理念﹑认知等带来巨大的改变，对提高设计师的设计能力起到非常重要的作用。产品是由一定的材料经过一定的加工工艺而构成的，一件完美的产品必须是功能﹑形

7、态和材料三要素的和谐统一。由此可见，材料与产品设计的关系是多么的密切。对于一些性能要求较高的产品，比如：油田钻探﹑风力发电叶片﹑核电﹑医疗器械﹑汽车构件等领域，某些部件性能要求较高，不是所有的材料都合适。然而，碳纤维复合材料却符合条件，它在这些领域发挥着重要的作用，碳纤维复合材料这些新的应用给产品设计的风格﹑要求等带来了巨大地改变。碳纤维复合材料特有的优势如：高强度（是钢铁的5倍）；出色的耐热性(可以耐受2000℃以上的高温)；出色的抗热冲击性；低热膨胀系数(变形量小)；热容量小（节能）；比重小（钢的1/5）；优秀的抗腐蚀与辐射性能等，会对用

8、它制造成的产品的主要功能如：力学﹑热学﹑电学等；造型形式如：形态﹑质感﹑色彩等；工艺性能安全性﹑使用寿命﹑经济性与社会性等产生非常大的影响，它会决定产品的用途，其中