别出新材,且看大白设计者如何寻材问料!

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楼主 2019-01-16 03:13:23
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迪斯尼激萌动画《超能陆战队》上映以来,剧中的大白(Baymax)以其爆萌的形象和暖入人心的暖男范俘获了无数芳心,风头一时无俩,直逼TFBoys和EXO。大白的设计获得了来自男女老少的集体点赞,而我们都知道,材料与设计是一对密不可分的好基友,材料是设计的基础,设计是材料的表达方式。下面就让大家再回顾一下这部人气影片,来看看影片中的发明家兼设计者——哥哥滨崎正是如何选择材料的。


皮肤篇


天才少年小宏用手就摸得出大白的皮肤材料,堪比帅大叔阿尔·帕西诺的闻香识女人。那么问题来了,vinyl究竟是啥材料?从单词本身的意思上讲,vinyl代表着乙烯基。维基百科指出,vinyl可以用来指一种特定的材料——polyvinyl chloride,它的中文名是聚氯乙烯,而更为人所知的则是它的缩写——PVC。“啥?你在逗我嘛?我好像记得我家供水管道材料也叫PVC…”但是,世界上有这样一种男人,他们拥有完美的气质,可以将任何款式任何面料的衣服都穿出一种独特的风格,比如我们电影的男主角大白和新材料在线的男神们。


聚氯乙烯(Polyvinyl chloride,PVC)是氯乙烯单体(vinyl chloride monomer,VCM)在过氧化物、偶氮化合物等引发剂,或在光、热作用下按自由基聚合反应机理聚合而成的聚合物。氯乙烯均聚物和氯乙烯共聚物统称之为氯乙烯树脂。


PVC特性:

a.阻燃性:聚氯乙烯的最大特点是阻燃,因此被广泛用于防火应用。

b.稳定:不易被酸、碱腐蚀;比较耐热。

c.PVC是七大塑料中唯一必须使用增塑剂的材料,这使得它的状态可以从软而弹到硬而脆之间变化。

看完这几大特性,大白忍不住高歌一曲:“用了PVC,我会练成护体神功,看见大火,我不怕不怕啦~酸碱侵蚀,我不怕不怕啦~MAI~A~HEE~MAI~A~HO~”当然,剧中的设计者阿正最重要的理由还是——为了萌!剧中大白的形象萌翻天,设计师自然是神来之笔,而很重要的一点在于,在设计过程中选择的材料也完美地表达了设计的效果。接下来我们延伸一下,PVC材料在我们日常的生活中到底都有些啥应用呢?


1、聚氯乙烯异型材

型材、异型材是中国PVC消费量最大的领域,约占PVC总消费量的25%左右,主要用制作门窗和节能材料,目前其应用量在全国范围内仍有较大幅度增长。


2、聚氯乙烯管材
在众多的聚氯乙烯制品中,聚氯乙烯管道是其第二大消费领域,约占其消费量的20%左右。在中国,聚氯乙烯管较PE管和PP管开发早,品种多,性能优良,使用范围广,在市场上占有重要位置。


3、聚氯乙烯膜

PVC膜领域对 PVC的消费位居第三,约占10%左右。PVC与添加剂混合、塑化后,利用三辊或四辊压延机制成规定厚度的透明或着色薄膜,用这种方法加工薄膜,成为压延薄膜。也可以通过剪裁,热合加工包装袋、雨衣、桌布、窗帘、充气玩具等。宽幅的透明薄膜可以供温室、塑料大棚及地膜之用。经双向拉伸的薄膜,所受热收缩的 特性,可用于收缩包装。


4、聚氯乙烯日用消费品

行李包是聚氯乙烯加工制作而成的传统产品,聚氯乙烯被用来制作各种仿皮革,用于行李包,运动制品,如篮球、足球和橄榄球等。还可用于制作制服和专用保护设备的皮带。服装用聚 氯乙烯织物一般是吸附性织物(不需涂布),如雨披、婴儿裤、仿皮夹克和各种雨靴。聚氯乙烯用于许多体育娱乐品,如玩具、唱片和体育运动用品,目前聚氯乙烯玩具增长幅度大,由于聚氯乙烯玩具和体育用品生产成本低,易于成型而占有优势。


骨架篇



接下来,我们来看看究竟是什么样的骨架撑起了大白的身躯。影片中,小宏透过大白的大肚皮观察,并惊喜的喊出了钛合金。说起钛合金,可能很多朋友脑海中会华丽地蹦出五个大字 “钛合金狗眼”。现实中,钛合金有着远比做狗眼更为广泛的应用。

钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金,是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属。



钛合金特性:

1、强度高密度低:钛合金的密度一般在4.51g/cm3左右,仅为钢的60%,而一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料。可制出单位强度高、刚性好、质轻的零部件。

2、热强度高。在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450~500℃的温度下长期工作这两类钛合金在150℃~500℃范围内仍有很高的比强度。钛合金的工作温度可达500℃,铝合金则在200℃以下。

3、低温性能好。钛合金在低温和超低温下,仍能保持其力学性能。低温性能好,间隙元素极低的钛合金,如TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性。因此,钛合金也是一种重要的低温结构材料。


下面让我们看看高大上的钛合金在我们的生活中实用的一些案例:

1、笔记本外壳

钛合金材质的可以说是铝镁合金的加强版,就强韧性看,钛合金是镁合金的三至四倍。强韧性越高,能承受的压力越大,也越能够支持大尺寸的显示器。因此,钛合金机种即使配备15英寸的显示器,也不用在面板四周预留太宽的框架。至于薄度,钛合金厚度只有0.5mm,是镁合金的一半,厚度减半可以让笔记本电脑体积更娇小。缺点:必须通过焊接等复杂的加工程序,才能做出结构复杂的笔记本电脑外壳,这些生产过程衍生出昂贵的成本。


ThinkPad Z61t采用钛合金外壳,价格不菲。


PowerBook G4主要特征是15.2“宽屏和95%由纯钛金属(Titanium)制造机壳。

2、手表外壳:


比重小,硬度高、耐磨损,但色泽较暗淡,表面做抛光处理亮度不够,只能喷砂、拉砂或电镀,加工难度大。

3、钛制餐具:


运用金属钛的特点结合特殊的物理化学表面着色工艺处理,使其具有独特的金钛餐具属光泽,质地可以与银质餐具相媲美。钛制餐具是未来餐具使用材料的趋势,因其质量轻使用轻巧,具有无毒无味、无辐射、不生锈、耐腐蚀、耐磨损,韧性好,以及良好的生物亲合力等优良特性。


4.骨科内植入物:

钛具有优良的人体相容性,并不会引起炎症、过敏性和变态反应,还具有抗血栓性。弹性模量也可以满足界面上的力学适应性等。因此,钛合金是生产人工骨、关节等人体植入物的重要材料。


真正的大白骨架

而真正的大白骨架用的是什么材料呢?答案就是——碳纤维。碳纤维可谓是材料界中的偶像派,是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成,经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”,质量比金属铝轻,但强度却高于钢铁,并且具有耐腐蚀、高模量的特性,在国防军工和民用方面都是重要材料。


碳纤维特性:

1. 比强度高、比模量高:在同等尺寸条件下,碳纤维往往要比金属结构材料轻便,硬度也更强。与钢相比,碳纤维的抗拉强度(对抗拉伸的能力)是钢的4倍,抗弯曲的能力也远大于钢。

2. 质轻、耐腐蚀、耐疲劳

3. 热膨胀系数小,摩擦系数低、耐高低温。

正所谓“好马需好鞍”,偶像级天皇巨星大白的骨架自然也选择了同样星光熠熠的碳纤维材料。这么多优异的力学性能的支撑,让大白挺起脊梁,肉肩担道义,成长为新时代的“superhero”。在这里,哥哥的设计体现出了一种轻量化的思想,他心目中的大白是一个“萌而不呆”的超级机器人。大白虽然外形圆润,但是作为一个个人健康护理管家,行动却不宜过于迟缓。相比于同样具有质量轻结构强优点的钛合金,碳纤维还是显得更胜一筹,也能更好地满足设计者的需求,造就了一个“穿衣有肉,脱衣显瘦”的丰满形象。

碳纤维材料在诸多领域已经有了其丰富的应用:

1、航空领域


碳素夹心板在波音787上使用(图文来源:波音网站)


碳素层板在波音787上使用(图文来源:波音网站)

2、军事领域:

碳纤维在航天航空等领域发挥着及其重要的作用,是一种比铝钛还轻,比钢还强韧的人造材料。采用碳纤维复合材料制作机身部分零件,可以降低重量。


法国工厂在用高强度碳纤维制作洲际导弹发动机外壳(图文来源:ciamiecn)


中国歼10战斗机也大量采用复合材料,制作机身部分零件,以降低重量(图文来源:ciamiecn)

3、土木
日本三菱化学公司用碳纤维片材“REPLARK”补强桥梁,烟囱,隧道和建筑。


“REPLARK”用于土木修复(来源:mitsubishichemica)

4、能源

叶片动力学公司(Blade Dynamics) 全部采用碳纤维来建造叶片。


叶片动力学公司 研发出制造世界最大风电叶片的技术(来源:www.hsfn.coi.com)

5、汽车领域

以法拉利、兰博基尼、帕加尼等为代表的意大利超级跑车为了追求轻量化,在车上大规模应用碳纤维组件。


碳纤维用于特斯拉


全碳车身的帕加尼跑车

6、运动休闲领域
奥迪碳素滑雪板是由以奥迪集团设计总监沃尔夫冈艾格尔(WolfgangEgger)领衔的奥迪设计团队与资深的滑雪专家一起,运用滑雪和赛车的科技共同设计研发的。在设计过程中,奥迪设计团队用高强度碳素纤维将滑雪板的木质内核以及覆盖其外的铝、钛金属层包裹起来。


奥迪碳素滑雪板(Audi Carbon Ski)(来源:autohome)

7、消费电子


ThinkPad X1 Carbon:联想号称世界最薄

8、创意产品
由于碳纤维独特的外观以及优异的力学性能和加工特性,碳纤维创意产品层出不穷。


Vessel 新概念碳纤维浴缸,英国设计工作室 Splinter Works


Gaudi-stool座椅

整个座椅重量仅有1公斤,整个座椅的成型分为两部分,表面是薄的碳纤维板材弯曲制成,下部结构复杂,采用快速原型技术,两种技术相结合,降低了制作的成本。


回顾结束之后,不得不去感慨迪斯尼动画的用心之处,对于一部科技武装的超级英雄为主题的电影,该片中包含了大量的科学知识,在娱乐性的基础上也多了几分科普的意义。而同时,我们也可以看到对于一款有爆点的产品(姑且把大白当做产品吧),设计师的设计是产品的灵魂,而材料则是帮助设计师表达观点的基础载体。随着科技水平的进步,越来越多的新材料被发现,这些材料在结构、性能、外观上有着多种多样的特征,也给了设计师们越来越多的选择。值得期待的是,设计师们将通过自己的创造,给我们带来各式各样的新型产品,也将会使我们的生活更加的丰富多彩。



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