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设计中的神奇公式：如何用材料指数提升你的产品表现？
材料选择是设计任何实体物品过程中的一个重要步骤。在产品设计的背景下，材料选择的主要目标是以最小成本实现产品性能目标。系统地选择适合特定应用的最佳材料，首先要考虑候选材料的性能和成本。利用材料指数或性能指数，可以在很大程度上帮助进行材料选择，这些指数与所需的材料性质是相关的。
例如，热毯必须具备良好的隔热性能，以最小化在特定温度差下的热传导。
设计师必须全面了解材料的性能及其在工作条件下的行为。一些重要的材料特性包括：强度、耐用性、灵活性、重量、耐热性和抗腐蚀性、可铸性、可焊性或硬化性、可加工性以及电导率等。在当代设计中，可持续性成为了材料选择的关键考量因素。随着环保意识的提高，专业人士在决策过程中开始优先考虑生态影响、可回收性和全生命周期分析等因素。
材料选择的挑战
在需要多项标准的应用中，系统化选择变得复杂。例如，当材料需要具备刚性与轻量特性时，对于一根棒材来说，高杨氏模数与低密度的组合显示出最佳材料，而对于一个板材来说，板材的弯曲刚度通常与其厚度的立方成正比，因此可以用厚度的立方根除以密度来作为最佳指标。与此同样考虑，「刚性」与「轻质」的需求，如果要应对张力负荷的棒材，则应考虑比率，将模数除以密度。
现实往往存在局限性，因此必须考虑实用性因素。理想材料的成本，根据形状、大小和成分等因素，可能是过高的。
Ashby 图与成本考量
Ashby 图是由剑桥大学的迈克尔·阿什比命名的散点图，显示了多种材料或材料类别的两个或多个属性。这些图对于比较不同性能之间的比率非常有用。在材料选择中，成本占据了非常重要的角色。最直观的做法是为材料属性开发一个货币度量标准，例如，生命周期评估可以显示出降低一辆车重量 1 公斤的净现值约为 5 美元。
对于商用飞机，这一数字接近 450 美元/公斤，而对于航天器，发射成本约 20,000 美元/公斤，因此这些因素主导了选择决策。随着能源价格的上涨和技术的进步，汽车逐渐以轻量化的镁和铝合金取代钢材，飞机则用碳纤维增强塑料和钛合金取代铝等材料。
Ashby 图的应用方法
利用 Ashby 图是选择适当材料的常见方法。首先需要确定三组不同的变数：材料变数、自由变数和设计变数。材料变数是材料的固有属性，而自由变数是指随着载荷循环可变的量，例如施加的力量。设计变数则是对设计的限制，例如梁的厚度或梁的最大挠度。
对于这些变数，我们需要推导出性能指数的方程式，这个方程式能将特定情况下材料的可取程度进行量化。
最佳材料选择的实例
在一个实际的情况中，当材料同时面对拉伸和弯曲时，理想材料必须能够在这两种情况下均表现良好。通过创建对应的 Ashby 图，并对所有已知材料进行标定，就可以轻松选择出最合适的材料。
最终，随着材料性能指数的提高，高性能材料的选择不再是一个简单的过程，而是需要考虑到成本降低及性能最佳化之间的平衡。每一次材料的选择，都将大大影响最终产品的性能与可持续性。
在产品设计中，你准备好探索这些材料指数以提升你的产品表现了吗？
