材料特性的进一步研究

编写人:原始实验室|出版日期:05/21

设计零件时,它的许多功能将取决于明显的因素,如形状、尺寸、壁厚、连接点的位置等。不太明显但同样重要的是模制、机加工或3D打印(切割、弯曲、成形等)材料的特性。

设计是在宏观层面上进行的;材料的性能通常是在分子水平上控制的。在设计过程中,你越早开始考虑材料及其特性,你完成的设计就越有效和经济。本技巧旨在帮助您进行早期评估。它概述了材料特性的四个一般类别(金属和塑料)在选择下一部分设计的材料时要考虑的一些主要考虑事项,以及一些经常被忽视的设计问题。


摩托车的空气滤清器就是一个很好的例子,它的部件必须平衡多种材料特性,如耐热性、强度和灵活性。

为什么材料选择很重要

材料选择无论是金属还是塑料都可以是简单的,几乎是偶然的,或者是复杂的,对零件的性能至关重要。比如说,你想为一个设计用于室内的设备制作一个外壳。很大一部分塑料外壳在热或电方面没有特别的挑战,没有极端的机械要求,因此可以在相对良性的环境中工作,比如你的家庭房间。大多数此类零件可由ABS、聚碳酸酯(PC)或ABS/PC混合物制成。

另一方面,考虑摩托车的空气净化器的外壳。这将需要定期打开和关闭过滤器更换。作为该功能的一部分,它可以采用活铰链或集成弹簧夹。它将不得不忍受飞行碎片、发动机热量、太阳紫外线辐射、各种来源的湿气以及燃料和清洁化学品的化学暴露的攻击。为这个应用找到合适的材料可能需要研究和迭代原型。

智能手机的组件可能更具挑战性。它们的功能可以包括散热和防热、电绝缘、无线信号的选择性通过和阻断,以及外壳的防反复跌落保护。这种复杂设计的每个组件都有非常具体的要求,而这些要求又反过来要求特定的材料特性。因此,材料选择至关重要。

有效的材料选择始于对整个装置或组件功能的清楚理解。接下来,您必须确定整个操作中特定部分的功能。在有多个考虑因素的情况下,你需要优先考虑,将“必备品”和“最好的”分开。例如,手持式设备中“必备品”的光滑表面修饰可能是第二个考虑因素,其中需要玻璃填充材料的强度来满足强度要求。可能需要考虑的因素很长,但通常分为以下四类:机械、物理、热和电气材料特性。

导航材质属性

机械
机械性能是材料在各种力的作用下表现出来的性能。这些特性包括拉伸和压缩强度、柔韧性和硬度。


用于塑料。塑料的机械性能差别很大,从聚丙烯作为活铰链的柔韧性到玻璃填充尼龙的刚性。

对于金属。相比之下,金属都是相对坚硬的。例如,各种类型的钢将比铝更硬。


物理的
物理特性是材料的外观特征及其对化学物质或辐射的反应。这些包括密度和耐化学腐蚀和紫外线破坏。它们也可以包括化妆品问题,如颜色和表面纹理。


用于塑料。塑料的物理性能会有很大的差别。例如,在潮湿的环境中,聚氨酯可能是一个糟糕的选择,而3D打印塑料是由立体光刻如果暴露在紫外线下会变脆。

对于金属。同样,金属对化学暴露的耐受性也会有所不同。在金属中,不锈钢将是许多潜在腐蚀性环境的一个明显选择,但在其他领域,如传热方面,不锈钢将短缺。

热的
热特性是控制材料对温度的反应的特性。它们是否可能因受热而变弱或变形,或因寒冷而变脆?材料是否容易导热或隔热?影响零件的温度可以是环境温度,也可以是零件工作的总成产生的温度。


用于塑料。热响应可能是选择塑料的一个主要问题。虽然硅树脂是烤箱的理想材料,但许多塑料都可能在夏天被封闭的汽车加热而损坏。

对于金属。虽然金属通常比许多塑料能承受更高的热量,但像因科镍合金这样的镍铬“高温合金”能承受高达700摄氏度的温度,因此适合用于火箭发动机零件。在要求不高的场合,铝是散热器的理想材料,而不锈钢则不是。

电气
电气特性涉及诸如导电性、电阻和电感等特性。


用于塑料。塑料的电性能差别很大。这在智能手机这样的紧凑型设备中非常关键,在智能手机中,电流和信号必须被隔离以防止失真,或者在医疗设备中,强电流或磁场用于诊断或治疗。

对于金属。类似地,不同金属的导电性也有很大差异。铜通常是我们的首选导电性,但铝提供良好的导电性,同时降低成本,提高耐腐蚀性,如果导电性不是关键。

经常被忽视的物质因素

很多设计师都会使用一些“现成”的材料,除非这些材料有明显的缺点。如果材料符合需要,价格合适就可以了。但在某些情况下,你可能会放弃一些研究可能带来的好处。或者您可能会发现原型中的问题,这些问题可能会在属性搜索中出现,从而减慢您的开发过程。或者你可以用更低的价格来满足需求,这样在较长的生产周期内就可以满足需求。以下是一些示例:

你可能会认为热或紫外线损伤与室内使用的产品无关。但是如果把它放在阳光下或封闭的汽车里会发生什么呢?

你有没有预料到所有形式的化学接触?你的小字可能会警告某些化学物质,但更具弹性的材料可以防止用户的不满。

你考虑过所有的现场条件吗?汽车部件可能在发动机罩下受到紫外线的保护,但必须处理积聚的热量,而类似的摩托车部件可能面临完全相反的条件。

组件的老化程度如何?是一次性的吗?可替换?永久的?

密度是一个考虑因素吗?一些运动部件可能受益于重量轻,而另一些则需要重量才能正常工作。

尺寸和强度可以互换。用更坚固的材料制成的更薄的零件可以节省空间。使用较少的材料可以弥补单位体积的较高成本。

完成不仅仅是一个表面问题。纹理等因素对人体工程学至关重要。

正确的材料可以帮助解决设计问题。例如,内置弹簧夹或活动铰链可以消除对连接器的需要。

在许多产品中,热可能是一个问题。由合适的金属或塑料制成的设计良好的散热器可以有效地将热量从关键区域转移出去。

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