新型材料在機電一體化產品設計中的應用分析

唐曉萍

摘 要：本文著重分析了新型材料在機電一體化產品設計中的具體應用，包括輕質材料、智能材料、復合材料、可持續(xù)材料，并對新型材料在機電一體化產品設計中的未來應用趨勢及影響展開了相關預測，以充分突顯新型材料的應用價值，優(yōu)化機電一體化產品設計，從而推動不同行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

關鍵詞：新型材料 機電一體化產品設計 應用分析

在機電一體化領域，機電一體化產品具有極高的設計要求，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)揮新型材料的內在潛力，豐富機電一體化產品功能，確保機電一體化產品具有更大的市場競爭力，在各個行業(yè)中得到廣泛應用。

1 新型材料在機電一體化產品設計中的具體應用

1.1 輕質材料

輕質材料在機電一體化產品設計中的應用，徹底改變了機電一體化產品的設計格局。輕質材料具有以下優(yōu)點：（1）提高效率：與鋼等傳統材料相比，碳纖維復合材料、鋁合金和先進聚合物等輕質材料具有卓越的強度重量比。通過減輕組件和結構的重量，這些材料有助于提高機電一體化產品的能源效率和性能。例如，在汽車應用中，輕質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）提高移動性和可操作性：機電一體化產品中使用輕質材料增強了移動性和可操作性，使其成為需要敏捷性和響應能力的應用的理想選擇。例如，在機器人技術中，輕質材料使機器人能夠快速移動并適應動態(tài)環(huán)境，從而提高其在裝配、檢查和物流等任務中的效率。同樣，在航空航天應用中，輕質材料使飛機能夠實現更高的速度和機動性，同時降低燃料消耗和運營成本。（3）提高性能和耐用性：輕質材料具有優(yōu)異的機械性能，包括高強度、剛度和抗疲勞性，從而提高機電一體化產品的性能和耐用性。由輕質材料制成的部件可以承受高應力和負載，而不影響結構完整性，從而延長使用壽命并減少維護要求。這在國防等行業(yè)尤其有利，輕質材料有助于為關鍵任務應用開發(fā)堅固可靠的系統。（4）設計靈活性：輕質材料為設計師提供了更大的產品設計靈活性，能夠創(chuàng)建復雜的幾何形狀和創(chuàng)新結構。與可能受到重量和制造限制的傳統材料不同，輕質材料可以模制、成型和制造成復雜的形式，從而實現創(chuàng)造性和功能性設計。這種靈活性促進了機電一體化產品設計的創(chuàng)新，從而推動跨行業(yè)開發(fā)緊湊、輕便且美觀的解決方案。輕質材料對機電一體化產品設計的影響包括：其一，組件小型化：輕質材料的采用促進了機電一體化產品中組件的小型化，從而可以創(chuàng)建更小巧、更緊湊、重量更輕、占地面積更少的設備。輕質材料能夠將先進的功能和特性集成到更小的外形尺寸中，從而增強可用性和用戶體驗。其二，結構優(yōu)化：輕質材料可實現機電一體化產品的結構優(yōu)化，使設計人員能夠實現最佳性能，同時最大限度地減少重量和材料使用。先進的仿真和建模技術使工程師能夠優(yōu)化強度、剛度和重量的設計，從而產生更高效、更具成本效益的解決方案。結構優(yōu)化對于汽車、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)航里程和運行性能。其三，先進技術的集成：輕質材料有助于將傳感器、執(zhí)行器和連接功能等先進技術集成到機電一體化產品中。這些材料的輕質特性允許組件和系統的無縫集成，從而增強功能和性能。例如，在可穿戴設備和物聯網應用中，輕質材料有助于開發(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、配件和設備中。其四，環(huán)境可持續(xù)性：采用輕質材料可以減少整個產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。輕質材料的制造、運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)保產品，與全球減緩氣候變化和促進可持續(xù)發(fā)展的努力保持一致。

1.2 智能材料

智能材料代表了機電一體化產品設計的范式轉變。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會因溫度變化而發(fā)生可逆相變，從而在變形后恢復其原始形狀。這種獨特的特性使SMA適用于機電一體化產品的驅動和控制應用。（2）壓電材料：壓電材料響應機械應力而產生電荷，反之亦然。這一特性使得壓電材料可用于機電一體化產品中的傳感、驅動和能量收集。壓電傳感器用于測量各種應用中的力、壓力、加速度和振動，而壓電執(zhí)行器則用于微定位系統和超聲波設備中的精確運動控制。（3）磁致伸縮材料：磁致伸縮材料響應施加的磁場而改變形狀，為機電一體化產品提供了一種驅動和控制手段。磁致伸縮執(zhí)行器用于汽車系統、機器人和工業(yè)自動化，以實現精確定位、減振和降噪。（4）電流變（ER）和磁流變（MR）流體：ER和MR流體分別響應電場和磁場而發(fā)生可逆的粘度變化。這些材料用于機電一體化產品中，用于自適應阻尼、隔振和可控流體流動應用。ER和MR阻尼器用于汽車懸架系統、減震器和振動控制系統，以提高乘坐舒適性、穩(wěn)定性和性能。以下是智能材料在機電一體化產品設計中的有效應用：其一，自適應結構和執(zhí)行器：SMA和壓電陶瓷等智能材料被集成到自適應結構和執(zhí)行器中，以實現形狀變形、振動控制和能量收集功能。這些自適應結構在航空航天、汽車和機器人領域得到應用，用于變形機翼、主動振動控制系統和自供電傳感器。其二，傳感和執(zhí)行系統：壓電傳感器和執(zhí)行器廣泛用于機電一體化產品中，以實現精確測量、控制和反饋。壓電傳感器用于壓力傳感器、加速度計和力傳感器，而壓電執(zhí)行器則用于噴墨打印機、超聲波電機和醫(yī)療設備，以實現精確的運動控制和定位[2]。其三，能量收集和存儲：壓電和熱電材料等智能材料用于從環(huán)境振動、機械運動和廢熱中收集能量。這些材料被集成到用于自供電傳感器、無線傳感器網絡和便攜式電子產品的機電一體化產品中，減少對外部電源的依賴并延長使用壽命。

1.3 復合材料

復合材料已成為機電一體化產品設計的重要基石。復合材料同樣具有諸多優(yōu)點，包括：（1）高強度重量比：復合材料表現出優(yōu)異的強度重量比，超過了金屬和陶瓷等傳統材料。通過將輕質纖維與高強度基體相結合，復合材料可實現卓越的結構完整性，同時最大限度地減輕重量。（2）定制的機械性能：與各向同性材料不同，復合材料可以靈活地根據特定的設計要求定制機械性能。通過改變增強纖維的類型、取向和體積分數，設計人員可以設計具有定制剛度、強度和抗疲勞性的復合材料。這種多功能性可以優(yōu)化從承載結構到減振組件等各種應用的產品性能。（3）耐腐蝕性：復合材料本質上耐腐蝕，使其成為惡劣環(huán)境或腐蝕性條件下應用的理想選擇。與可能隨著時間的推移而腐蝕的金屬不同，復合材料不會受到濕氣、化學品和鹽水暴露的影響。這一特性提高了船舶、化學加工和海上工業(yè)中使用的機電一體化產品的耐用性和使用壽命。（4）設計自由：復合材料的可模壓性和可成型性為設計師提供了前所未有的自由度來創(chuàng)建復雜的幾何形狀和復雜的形狀。與受制造限制的傳統材料不同，復合材料幾乎可以模制成任何所需的配置，從而實現創(chuàng)新且美觀的設計。這種設計自由促進了不同行業(yè)機電一體化產品設計的創(chuàng)造力和創(chuàng)新。

復合材料顯著提高機電一體化產品性能，會對各行業(yè)產生以下影響：（1）航空航天：在航空航天工業(yè)中，復合材料徹底改變了飛機設計，從而顯著提高了燃油效率、性能和運營成本。復合材料結構，如碳纖維增強復合材料，用于飛機機身、機翼和發(fā)動機部件，與傳統金屬結構相比，重量減輕高達20%-30%。重量的減輕意味著有效負載能力的增加、飛行航程的延長和燃油消耗的降低，使得復合材料在現代飛機設計中不可或缺[3]。（2）汽車：復合材料的應用提高了汽車零部件的性能和效率，有助于實現輕量化計劃和減排目標。碳纖維復合材料越來越多地應用于汽車車身板件、底盤部件和內飾，以減輕車輛重量并提高結構剛度。重量的減輕提高了加速度、操控性和燃油經濟性，同時還提高了耐撞性和乘員安全。（3）可再生能源：在可再生能源領域，復合材料用于建造風力渦輪機葉片、太陽能電池板和水力發(fā)電系統，以最大限度地提高能量捕獲和效率。復合材料具有高強度、耐疲勞、耐腐蝕等優(yōu)點，非常適合海上風電場和海洋可再生能源裝置。此外，復合材料可以設計更大、更高效的渦輪葉片，從而增加能量輸出并降低系統整個生命周期的維護成本。

1.4 可持續(xù)材料

可持續(xù)材料的重要作用在環(huán)保產品設計中體現的尤為明顯，包括：（1）資源保護：可持續(xù)材料通過減少對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的環(huán)境退化，有助于資源保護。通過利用可再生或回收材料，機電一體化產品設計人員可以減輕自然資源的消耗，并最大限度地減少整個產品生命周期對環(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、運輸和處置相關的溫室氣體排放，有助于減少機電一體化產品的碳足跡。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碳中和。此外，與傳統材料相比，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)材料通過實現閉環(huán)材料循環(huán)和循環(huán)經濟原則來促進廢物減少和回收。回收的金屬、塑料和復合材料可以重新融入制造過程，減少對原始材料的需求，并將廢物從垃圾填埋場轉移。設計機電一體化產品時考慮到可回收性，有助于報廢處理并促進有價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的環(huán)境影響。通過選擇來自負責任管理的森林、農作物或消費后廢物流的環(huán)保材料，機電一體化產品設計師可以最大限度地減少環(huán)境危害并為保護工作做出貢獻。

以下是可持續(xù)材料在環(huán)保機電一體化產品中的關鍵應用：（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石油基塑料的可持續(xù)替代品。這些材料用于機電一體化產品，如外殼、外殼和包裝，在其生命周期結束時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，因其高強度、耐用性和可回收性而廣泛用于機電一體化產品設計。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相關的能源消耗和溫室氣體排放，同時保護自然資源。（3）生物基復合材料：由天然纖維和生物樹脂組成的生物基復合材料為傳統石油基復合材料提供了可持續(xù)的替代品。這些材料用于結構部件、絕緣材料和隔音板的機電一體化產品，提供可比的性能，同時減少對環(huán)境的影響和對化石燃料的依賴。

2 新型材料在機電一體化產品設計中的未來應用及影響

新型材料與機電一體化產品設計的集成有望徹底改變該領域，使產品設計得到充分創(chuàng)新，產品性能得到進一步增強。以下是對新型材料在機電一體化產品設計中應用趨勢及影響的預測：（1）多功能材料：未來的機電一體化產品將越來越多地采用多功能材料，提供機械、電氣、熱和傳感特性的組合。這些材料能夠將多種功能集成到緊湊、輕質和節(jié)能的設計中。例如，具有形狀記憶功能的智能材料可以充當傳感器和執(zhí)行器，從而實現自我調節(jié)系統和自適應結構。多功能材料將推動機器人、航空航天、醫(yī)療保健和汽車行業(yè)的創(chuàng)新，促進下一代智能設備、自主系統和可穿戴技術的開發(fā)[5]。（2）可持續(xù)材料的進步：對可持續(xù)材料的需求將繼續(xù)推動機電一體化產品設計的環(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)經濟原則，生物基材料、回收材料和可生物降解聚合物將受到重視。可持續(xù)材料具有減少碳足跡、節(jié)約資源和報廢可回收等優(yōu)點，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品到可回收的儲能設備，可持續(xù)材料將在塑造機電一體化的未來方面發(fā)揮關鍵作用。（3）自主和自愈材料的出現：自主和自愈材料將成為機電一體化領域自主系統和彈性基礎設施的關鍵推動者。自修復聚合物、形狀記憶合金和響應涂層將實現自修復結構、自適應表面和容錯組件，從而提高可靠性、壽命和性能。這些材料將在航空航天、運輸和基礎設施應用中發(fā)揮關鍵作用，在這些應用中，停機時間和維護成本是重要的問題。自主材料將實現自我監(jiān)控、自我診斷和自我修復功能，最大限度地減少人工干預的需要，并最大限度地延長系統的正常運行時間。（4）增材制造的定制和個性化：增材制造技術將使材料設計民主化，并實現機電一體化產品的定制和個性化。3D打印允許快速原型制作、迭代設計以及復雜幾何形狀的按需制造以及根據特定用戶需求和應用量身定制的定制組件。先進的增材制造技術，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、微觀結構和功能。增材制造的定制化和個性化將推動消費電子產品、醫(yī)療設備和汽車零部件的創(chuàng)新，使用戶能夠為不同的應用創(chuàng)建定制解決方案[6]。（5）納米材料和納米技術的集成：納米材料和納米技術將在推進機電一體化產品設計方面發(fā)揮關鍵作用，在納米尺度上提供獨特的性能和功能。納米復合材料、納米傳感器和納米執(zhí)行器將使輕質、高強度、響應靈敏的機電一體化系統具有增強的性能和功能。從納米電子學到用于能量轉換和存儲的納米結構材料，納米技術將為機電一體化的小型化、效率和可持續(xù)性帶來新的可能性。此外，納米制造技術的進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 結語

總而言之，各類新型材料的集成代表了機電一體化產品設計的范式轉變，需要設計人員深刻認識到新型材料的應用價值、實際影響、優(yōu)點和作用，把握產品設計的關鍵因素，大膽創(chuàng)新產品設計，努力擁抱新興趨勢，更好地利用新型材料，設計出更多性能優(yōu)越的機電一體化產品，使其順利進入市場，推動相關領域不斷進步，產生最大化的產品效益，滿足利益相關者多樣化的產品需求。

參考文獻：

[J]史文強.產品設計中新型環(huán)保材料的研究與應用[J].西部皮革，2021，43（17）：149-150.

[2]郭亞娟，倫佳琪.新型機械設計理論在汽車工程中的運用探討[J].中國設備工程，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計中的作用與技術應用情況分析[J].農機使用與維修，2023（6）：102-104.

[4]周然鋒，張惠賢，尹小麗，等.新型納米材料在農產品安全分析中的應用進展[J].色譜，2023，41（9）：731-741.

[5]王子愷.新材料在汽車輕量化技術中的應用[J].汽車與新動力，2022，5（5）：18-20.

[6]王雪俊.工業(yè)設計中新型紡織材料的應用及進展[J].紡織報告，2023，42（6）：21-23.