唐曉萍
摘 要:本文著重分析了新型材料在機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用,包括輕質(zhì)材料、智能材料、復(fù)合材料、可持續(xù)材料,并對(duì)新型材料在機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的未來應(yīng)用趨勢及影響展開了相關(guān)預(yù)測,以充分突顯新型材料的應(yīng)用價(jià)值,優(yōu)化機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì),從而推動(dòng)不同行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
關(guān)鍵詞:新型材料 機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì) 應(yīng)用分析
在機(jī)電一體化領(lǐng)域,機(jī)電一體化產(chǎn)品具有極高的設(shè)計(jì)要求,需要用到大量的新型材料,解決成本、兼容性和可靠性等挑戰(zhàn),充分發(fā)揮新型材料的內(nèi)在潛力,豐富機(jī)電一體化產(chǎn)品功能,確保機(jī)電一體化產(chǎn)品具有更大的市場競爭力,在各個(gè)行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。
1 新型材料在機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用
1.1 輕質(zhì)材料
輕質(zhì)材料在機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,徹底改變了機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)格局。輕質(zhì)材料具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)提高效率:與鋼等傳統(tǒng)材料相比,碳纖維復(fù)合材料、鋁合金和先進(jìn)聚合物等輕質(zhì)材料具有卓越的強(qiáng)度重量比。通過減輕組件和結(jié)構(gòu)的重量,這些材料有助于提高機(jī)電一體化產(chǎn)品的能源效率和性能。例如,在汽車應(yīng)用中,輕質(zhì)材料可以減少燃料消耗和排放,從而節(jié)省成本并帶來環(huán)境效益。(2)提高移動(dòng)性和可操作性:機(jī)電一體化產(chǎn)品中使用輕質(zhì)材料增強(qiáng)了移動(dòng)性和可操作性,使其成為需要敏捷性和響應(yīng)能力的應(yīng)用的理想選擇。例如,在機(jī)器人技術(shù)中,輕質(zhì)材料使機(jī)器人能夠快速移動(dòng)并適應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境,從而提高其在裝配、檢查和物流等任務(wù)中的效率。同樣,在航空航天應(yīng)用中,輕質(zhì)材料使飛機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的速度和機(jī)動(dòng)性,同時(shí)降低燃料消耗和運(yùn)營成本。(3)提高性能和耐用性:輕質(zhì)材料具有優(yōu)異的機(jī)械性能,包括高強(qiáng)度、剛度和抗疲勞性,從而提高機(jī)電一體化產(chǎn)品的性能和耐用性。由輕質(zhì)材料制成的部件可以承受高應(yīng)力和負(fù)載,而不影響結(jié)構(gòu)完整性,從而延長使用壽命并減少維護(hù)要求。這在國防等行業(yè)尤其有利,輕質(zhì)材料有助于為關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用開發(fā)堅(jiān)固可靠的系統(tǒng)。(4)設(shè)計(jì)靈活性:輕質(zhì)材料為設(shè)計(jì)師提供了更大的產(chǎn)品設(shè)計(jì)靈活性,能夠創(chuàng)建復(fù)雜的幾何形狀和創(chuàng)新結(jié)構(gòu)。與可能受到重量和制造限制的傳統(tǒng)材料不同,輕質(zhì)材料可以模制、成型和制造成復(fù)雜的形式,從而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造性和功能性設(shè)計(jì)。這種靈活性促進(jìn)了機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)新,從而推動(dòng)跨行業(yè)開發(fā)緊湊、輕便且美觀的解決方案。輕質(zhì)材料對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響包括:其一,組件小型化:輕質(zhì)材料的采用促進(jìn)了機(jī)電一體化產(chǎn)品中組件的小型化,從而可以創(chuàng)建更小巧、更緊湊、重量更輕、占地面積更少的設(shè)備。輕質(zhì)材料能夠?qū)⑾冗M(jìn)的功能和特性集成到更小的外形尺寸中,從而增強(qiáng)可用性和用戶體驗(yàn)。其二,結(jié)構(gòu)優(yōu)化:輕質(zhì)材料可實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)最佳性能,同時(shí)最大限度地減少重量和材料使用。先進(jìn)的仿真和建模技術(shù)使工程師能夠優(yōu)化強(qiáng)度、剛度和重量的設(shè)計(jì),從而產(chǎn)生更高效、更具成本效益的解決方案。結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)于汽車、航空航天和可再生能源等行業(yè)尤為重要,在這些行業(yè)中,減輕重量可以提高燃油效率、續(xù)航里程和運(yùn)行性能。其三,先進(jìn)技術(shù)的集成:輕質(zhì)材料有助于將傳感器、執(zhí)行器和連接功能等先進(jìn)技術(shù)集成到機(jī)電一體化產(chǎn)品中。這些材料的輕質(zhì)特性允許組件和系統(tǒng)的無縫集成,從而增強(qiáng)功能和性能。例如,在可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中,輕質(zhì)材料有助于開發(fā)緊湊、舒適的解決方案,這些解決方案可以穿戴或嵌入到衣服、配件和設(shè)備中。其四,環(huán)境可持續(xù)性:采用輕質(zhì)材料可以減少整個(gè)產(chǎn)品生命周期的能源消耗、排放和資源消耗,從而有助于環(huán)境的可持續(xù)性。輕質(zhì)材料的制造、運(yùn)輸和操作所需的能源更少,從而降低碳足跡和環(huán)境影響[1]。此外,輕質(zhì)材料有助于開發(fā)具有更高能源效率和可回收性的環(huán)保產(chǎn)品,與全球減緩氣候變化和促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的努力保持一致。
1.2 智能材料
智能材料代表了機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的范式轉(zhuǎn)變。智能材料具有多種功能,包括但不限于:
(1)形狀記憶合金(SMA):SMA會(huì)因溫度變化而發(fā)生可逆相變,從而在變形后恢復(fù)其原始形狀。這種獨(dú)特的特性使SMA適用于機(jī)電一體化產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)和控制應(yīng)用。(2)壓電材料:壓電材料響應(yīng)機(jī)械應(yīng)力而產(chǎn)生電荷,反之亦然。這一特性使得壓電材料可用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中的傳感、驅(qū)動(dòng)和能量收集。壓電傳感器用于測量各種應(yīng)用中的力、壓力、加速度和振動(dòng),而壓電執(zhí)行器則用于微定位系統(tǒng)和超聲波設(shè)備中的精確運(yùn)動(dòng)控制。(3)磁致伸縮材料:磁致伸縮材料響應(yīng)施加的磁場而改變形狀,為機(jī)電一體化產(chǎn)品提供了一種驅(qū)動(dòng)和控制手段。磁致伸縮執(zhí)行器用于汽車系統(tǒng)、機(jī)器人和工業(yè)自動(dòng)化,以實(shí)現(xiàn)精確定位、減振和降噪。(4)電流變(ER)和磁流變(MR)流體:ER和MR流體分別響應(yīng)電場和磁場而發(fā)生可逆的粘度變化。這些材料用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中,用于自適應(yīng)阻尼、隔振和可控流體流動(dòng)應(yīng)用。ER和MR阻尼器用于汽車懸架系統(tǒng)、減震器和振動(dòng)控制系統(tǒng),以提高乘坐舒適性、穩(wěn)定性和性能。以下是智能材料在機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的有效應(yīng)用:其一,自適應(yīng)結(jié)構(gòu)和執(zhí)行器:SMA和壓電陶瓷等智能材料被集成到自適應(yīng)結(jié)構(gòu)和執(zhí)行器中,以實(shí)現(xiàn)形狀變形、振動(dòng)控制和能量收集功能。這些自適應(yīng)結(jié)構(gòu)在航空航天、汽車和機(jī)器人領(lǐng)域得到應(yīng)用,用于變形機(jī)翼、主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)和自供電傳感器。其二,傳感和執(zhí)行系統(tǒng):壓電傳感器和執(zhí)行器廣泛用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中,以實(shí)現(xiàn)精確測量、控制和反饋。壓電傳感器用于壓力傳感器、加速度計(jì)和力傳感器,而壓電執(zhí)行器則用于噴墨打印機(jī)、超聲波電機(jī)和醫(yī)療設(shè)備,以實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)控制和定位[2]。其三,能量收集和存儲(chǔ):壓電和熱電材料等智能材料用于從環(huán)境振動(dòng)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)和廢熱中收集能量。這些材料被集成到用于自供電傳感器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和便攜式電子產(chǎn)品的機(jī)電一體化產(chǎn)品中,減少對(duì)外部電源的依賴并延長使用壽命。
1.3 復(fù)合材料
復(fù)合材料已成為機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要基石。復(fù)合材料同樣具有諸多優(yōu)點(diǎn),包括:(1)高強(qiáng)度重量比:復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度重量比,超過了金屬和陶瓷等傳統(tǒng)材料。通過將輕質(zhì)纖維與高強(qiáng)度基體相結(jié)合,復(fù)合材料可實(shí)現(xiàn)卓越的結(jié)構(gòu)完整性,同時(shí)最大限度地減輕重量。(2)定制的機(jī)械性能:與各向同性材料不同,復(fù)合材料可以靈活地根據(jù)特定的設(shè)計(jì)要求定制機(jī)械性能。通過改變?cè)鰪?qiáng)纖維的類型、取向和體積分?jǐn)?shù),設(shè)計(jì)人員可以設(shè)計(jì)具有定制剛度、強(qiáng)度和抗疲勞性的復(fù)合材料。這種多功能性可以優(yōu)化從承載結(jié)構(gòu)到減振組件等各種應(yīng)用的產(chǎn)品性能。(3)耐腐蝕性:復(fù)合材料本質(zhì)上耐腐蝕,使其成為惡劣環(huán)境或腐蝕性條件下應(yīng)用的理想選擇。與可能隨著時(shí)間的推移而腐蝕的金屬不同,復(fù)合材料不會(huì)受到濕氣、化學(xué)品和鹽水暴露的影響。這一特性提高了船舶、化學(xué)加工和海上工業(yè)中使用的機(jī)電一體化產(chǎn)品的耐用性和使用壽命。(4)設(shè)計(jì)自由:復(fù)合材料的可模壓性和可成型性為設(shè)計(jì)師提供了前所未有的自由度來創(chuàng)建復(fù)雜的幾何形狀和復(fù)雜的形狀。與受制造限制的傳統(tǒng)材料不同,復(fù)合材料幾乎可以模制成任何所需的配置,從而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新且美觀的設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)自由促進(jìn)了不同行業(yè)機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)造力和創(chuàng)新。
復(fù)合材料顯著提高機(jī)電一體化產(chǎn)品性能,會(huì)對(duì)各行業(yè)產(chǎn)生以下影響:(1)航空航天:在航空航天工業(yè)中,復(fù)合材料徹底改變了飛機(jī)設(shè)計(jì),從而顯著提高了燃油效率、性能和運(yùn)營成本。復(fù)合材料結(jié)構(gòu),如碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,用于飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼和發(fā)動(dòng)機(jī)部件,與傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)相比,重量減輕高達(dá)20%-30%。重量的減輕意味著有效負(fù)載能力的增加、飛行航程的延長和燃油消耗的降低,使得復(fù)合材料在現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)中不可或缺[3]。(2)汽車:復(fù)合材料的應(yīng)用提高了汽車零部件的性能和效率,有助于實(shí)現(xiàn)輕量化計(jì)劃和減排目標(biāo)。碳纖維復(fù)合材料越來越多地應(yīng)用于汽車車身板件、底盤部件和內(nèi)飾,以減輕車輛重量并提高結(jié)構(gòu)剛度。重量的減輕提高了加速度、操控性和燃油經(jīng)濟(jì)性,同時(shí)還提高了耐撞性和乘員安全。(3)可再生能源:在可再生能源領(lǐng)域,復(fù)合材料用于建造風(fēng)力渦輪機(jī)葉片、太陽能電池板和水力發(fā)電系統(tǒng),以最大限度地提高能量捕獲和效率。復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、耐疲勞、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn),非常適合海上風(fēng)電場和海洋可再生能源裝置。此外,復(fù)合材料可以設(shè)計(jì)更大、更高效的渦輪葉片,從而增加能量輸出并降低系統(tǒng)整個(gè)生命周期的維護(hù)成本。
1.4 可持續(xù)材料
可持續(xù)材料的重要作用在環(huán)保產(chǎn)品設(shè)計(jì)中體現(xiàn)的尤為明顯,包括:(1)資源保護(hù):可持續(xù)材料通過減少對(duì)有限自然資源的依賴并最大限度地減少與資源開采和加工相關(guān)的環(huán)境退化,有助于資源保護(hù)。通過利用可再生或回收材料,機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員可以減輕自然資源的消耗,并最大限度地減少整個(gè)產(chǎn)品生命周期對(duì)環(huán)境的影響。(2)減少碳足跡:可持續(xù)材料通過最大限度地減少與材料提取、制造、運(yùn)輸和處置相關(guān)的溫室氣體排放,有助于減少機(jī)電一體化產(chǎn)品的碳足跡。生物塑料和天然纖維等生物基材料在生長過程中封存二氧化碳,從而抵消排放并促進(jìn)碳中和。此外,與傳統(tǒng)材料相比,可持續(xù)材料的制造通常需要更少的能源,從而進(jìn)一步減少其環(huán)境足跡。(3)廢物減少和回收:可持續(xù)材料通過實(shí)現(xiàn)閉環(huán)材料循環(huán)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)原則來促進(jìn)廢物減少和回收。回收的金屬、塑料和復(fù)合材料可以重新融入制造過程,減少對(duì)原始材料的需求,并將廢物從垃圾填埋場轉(zhuǎn)移。設(shè)計(jì)機(jī)電一體化產(chǎn)品時(shí)考慮到可回收性,有助于報(bào)廢處理并促進(jìn)有價(jià)值資源的回收和再利用[4]。(4)減輕環(huán)境影響:可持續(xù)材料有助于減輕與污染、森林砍伐、棲息地破壞和生物多樣性喪失相關(guān)的環(huán)境影響。通過選擇來自負(fù)責(zé)任管理的森林、農(nóng)作物或消費(fèi)后廢物流的環(huán)保材料,機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)師可以最大限度地減少環(huán)境危害并為保護(hù)工作做出貢獻(xiàn)。
以下是可持續(xù)材料在環(huán)保機(jī)電一體化產(chǎn)品中的關(guān)鍵應(yīng)用:(1)可生物降解塑料:源自玉米淀粉、甘蔗或纖維素等可再生資源的可生物降解塑料是傳統(tǒng)石油基塑料的可持續(xù)替代品。這些材料用于機(jī)電一體化產(chǎn)品,如外殼、外殼和包裝,在其生命周期結(jié)束時(shí)提供生物降解性和可堆肥性。(2)再生金屬:再生金屬,包括鋁、鋼和銅,因其高強(qiáng)度、耐用性和可回收性而廣泛用于機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。通過將回收材料納入零部件和組件中,制造商可以減少與金屬生產(chǎn)相關(guān)的能源消耗和溫室氣體排放,同時(shí)保護(hù)自然資源。(3)生物基復(fù)合材料:由天然纖維和生物樹脂組成的生物基復(fù)合材料為傳統(tǒng)石油基復(fù)合材料提供了可持續(xù)的替代品。這些材料用于結(jié)構(gòu)部件、絕緣材料和隔音板的機(jī)電一體化產(chǎn)品,提供可比的性能,同時(shí)減少對(duì)環(huán)境的影響和對(duì)化石燃料的依賴。
2 新型材料在機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的未來應(yīng)用及影響
新型材料與機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的集成有望徹底改變?cè)擃I(lǐng)域,使產(chǎn)品設(shè)計(jì)得到充分創(chuàng)新,產(chǎn)品性能得到進(jìn)一步增強(qiáng)。以下是對(duì)新型材料在機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用趨勢及影響的預(yù)測:(1)多功能材料:未來的機(jī)電一體化產(chǎn)品將越來越多地采用多功能材料,提供機(jī)械、電氣、熱和傳感特性的組合。這些材料能夠?qū)⒍喾N功能集成到緊湊、輕質(zhì)和節(jié)能的設(shè)計(jì)中。例如,具有形狀記憶功能的智能材料可以充當(dāng)傳感器和執(zhí)行器,從而實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)系統(tǒng)和自適應(yīng)結(jié)構(gòu)。多功能材料將推動(dòng)機(jī)器人、航空航天、醫(yī)療保健和汽車行業(yè)的創(chuàng)新,促進(jìn)下一代智能設(shè)備、自主系統(tǒng)和可穿戴技術(shù)的開發(fā)[5]。(2)可持續(xù)材料的進(jìn)步:對(duì)可持續(xù)材料的需求將繼續(xù)推動(dòng)機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的環(huán)保替代品的研究和創(chuàng)新。隨著公司優(yōu)先考慮環(huán)境可持續(xù)性和循環(huán)經(jīng)濟(jì)原則,生物基材料、回收材料和可生物降解聚合物將受到重視??沙掷m(xù)材料具有減少碳足跡、節(jié)約資源和報(bào)廢可回收等優(yōu)點(diǎn),與全球減緩氣候變化和環(huán)境退化的努力相一致。從可生物降解的電子產(chǎn)品到可回收的儲(chǔ)能設(shè)備,可持續(xù)材料將在塑造機(jī)電一體化的未來方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。(3)自主和自愈材料的出現(xiàn):自主和自愈材料將成為機(jī)電一體化領(lǐng)域自主系統(tǒng)和彈性基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵推動(dòng)者。自修復(fù)聚合物、形狀記憶合金和響應(yīng)涂層將實(shí)現(xiàn)自修復(fù)結(jié)構(gòu)、自適應(yīng)表面和容錯(cuò)組件,從而提高可靠性、壽命和性能。這些材料將在航空航天、運(yùn)輸和基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用,在這些應(yīng)用中,停機(jī)時(shí)間和維護(hù)成本是重要的問題。自主材料將實(shí)現(xiàn)自我監(jiān)控、自我診斷和自我修復(fù)功能,最大限度地減少人工干預(yù)的需要,并最大限度地延長系統(tǒng)的正常運(yùn)行時(shí)間。(4)增材制造的定制和個(gè)性化:增材制造技術(shù)將使材料設(shè)計(jì)民主化,并實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的定制和個(gè)性化。3D打印允許快速原型制作、迭代設(shè)計(jì)以及復(fù)雜幾何形狀的按需制造以及根據(jù)特定用戶需求和應(yīng)用量身定制的定制組件。先進(jìn)的增材制造技術(shù),例如多材料打印和基于體素的打印,可以精確控制材料成分、微觀結(jié)構(gòu)和功能。增材制造的定制化和個(gè)性化將推動(dòng)消費(fèi)電子產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備和汽車零部件的創(chuàng)新,使用戶能夠?yàn)椴煌膽?yīng)用創(chuàng)建定制解決方案[6]。(5)納米材料和納米技術(shù)的集成:納米材料和納米技術(shù)將在推進(jìn)機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用,在納米尺度上提供獨(dú)特的性能和功能。納米復(fù)合材料、納米傳感器和納米執(zhí)行器將使輕質(zhì)、高強(qiáng)度、響應(yīng)靈敏的機(jī)電一體化系統(tǒng)具有增強(qiáng)的性能和功能。從納米電子學(xué)到用于能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)的納米結(jié)構(gòu)材料,納米技術(shù)將為機(jī)電一體化的小型化、效率和可持續(xù)性帶來新的可能性。此外,納米制造技術(shù)的進(jìn)步將能夠精確控制材料特性和器件特性,從而在小型化、能源效率和性能優(yōu)化方面取得突破。
3 結(jié)語
總而言之,各類新型材料的集成代表了機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的范式轉(zhuǎn)變,需要設(shè)計(jì)人員深刻認(rèn)識(shí)到新型材料的應(yīng)用價(jià)值、實(shí)際影響、優(yōu)點(diǎn)和作用,把握產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素,大膽創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計(jì),努力擁抱新興趨勢,更好地利用新型材料,設(shè)計(jì)出更多性能優(yōu)越的機(jī)電一體化產(chǎn)品,使其順利進(jìn)入市場,推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域不斷進(jìn)步,產(chǎn)生最大化的產(chǎn)品效益,滿足利益相關(guān)者多樣化的產(chǎn)品需求。
參考文獻(xiàn):
[J]史文強(qiáng).產(chǎn)品設(shè)計(jì)中新型環(huán)保材料的研究與應(yīng)用[J].西部皮革,2021,43(17):149-150.
[2]郭亞娟,倫佳琪.新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論在汽車工程中的運(yùn)用探討[J].中國設(shè)備工程,2023(22):254-256.
[3]鄭輝,張明洋,陳曉靜,等.新型材料在汽車輕量化設(shè)計(jì)中的作用與技術(shù)應(yīng)用情況分析[J].農(nóng)機(jī)使用與維修,2023(6):102-104.
[4]周然鋒,張惠賢,尹小麗,等.新型納米材料在農(nóng)產(chǎn)品安全分析中的應(yīng)用進(jìn)展[J].色譜,2023,41(9):731-741.
[5]王子愷.新材料在汽車輕量化技術(shù)中的應(yīng)用[J].汽車與新動(dòng)力,2022,5(5):18-20.
[6]王雪俊.工業(yè)設(shè)計(jì)中新型紡織材料的應(yīng)用及進(jìn)展[J].紡織報(bào)告,2023,42(6):21-23.