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新產(chǎn)品設(shè)計,塑料該怎么選?——選材工程師的系統(tǒng)方法論

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在做新產(chǎn)品設(shè)計的時候,工程師常常會糾結(jié):材料到底該選哪種?
數(shù)據(jù)手冊看不完,供應(yīng)商推薦五花八門,稍不注意就可能選錯。研究顯示,超過 60% 的塑料失效源于選材不當。
原因在于:性能不是目的,而是滿足零件使用需求的手段。真正有效的選材,要先看零件的使用環(huán)境,再把性能指標對應(yīng)上去。



01




?? 明確零件的工作場景
選材的出發(fā)點是零件的真實需求
  • 承受什么樣的力學作用?長期載荷還是瞬時沖擊?
  • 使用環(huán)境是高溫、低溫、潮濕還是戶外?
  • 是否涉及電氣安全或阻燃要求?
  • 產(chǎn)品的壽命預(yù)期是多少?要不要符合環(huán)保法規(guī)?

這些條件就是選材的“坐標系”。



02




??   場景 → 性能要求的映射關(guān)系
不要盯著參數(shù)本身,而要先看零件要做什么,工作的場景是怎么樣的:
  • 振動
關(guān)鍵特性:疲勞性、沖擊強度、耐磨性
說明:在需要承受振動的場景中,塑料材料必須具備較高的抗疲勞性,能夠承受多次的變形而不發(fā)生破裂。沖擊強度也是非常關(guān)鍵的,尤其是涉及到機械部件的使用。
  • 溫度變化
關(guān)鍵特性:連續(xù)使用溫度、HDT(熱變形溫度)、熱老化
說明:在溫度頻繁變化的環(huán)境中,材料需具備較高的熱穩(wěn)定性和耐溫能力。材料的連續(xù)使用溫度應(yīng)高于環(huán)境中的**使用溫度;同時,熱老化性能也需要評估,以確保長期使用不出現(xiàn)性能退化。
溫度升高,為什么變形的
是塑料而不是彈性體(同一個零件)
HDT 到底代表了什么?看懂它,先得理解模量如何隨溫
度坍塌
  • 高精度尺寸要求
關(guān)鍵特性:收縮率、CLTE(線性熱膨脹系數(shù))、吸水率、后收縮
說明:對于需要高精度的零件,材料的尺寸穩(wěn)定性至關(guān)重要。特別是在成型后,材料的收縮率和熱膨脹系數(shù)對產(chǎn)品尺寸的影響要進行精確控制。同時,吸水性也會導(dǎo)致尺寸變化,因此對于潮濕環(huán)境下的產(chǎn)品,吸水率需要關(guān)注。

從零件全生命周期看到“塑料尺寸穩(wěn)定性”

塑料的“尺寸穩(wěn)定性”,其實包含>6 個場景

  • 高負荷機械應(yīng)用
關(guān)鍵特性:抗拉強度、抗彎強度、蠕變,剛性
說明:在高負荷的機械環(huán)境中,材料必須具備較高的機械強度和剛性,才能承受較大的外力而不發(fā)生**性變形。
塑料也會"慢慢變形"?高性能聚合物的蠕變密碼,工程師必看的材料選型指南!
看懂三種蠕變曲線,教你推算產(chǎn)品壽命
  • 耐腐蝕環(huán)境
關(guān)鍵特性:化學穩(wěn)定性、耐腐蝕性
說明:材料需要具備優(yōu)良的化學穩(wěn)定性和耐腐蝕性,尤其是在化學品暴露或者濕氣環(huán)境下使用的產(chǎn)品,需要選擇具有抗化學侵蝕能力的材料。
為什么你的塑料殼容易爆裂?一文讀懂環(huán)境應(yīng)力開裂(ESC)的微觀機理與選材對策
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  • 電氣絕緣要求
關(guān)鍵特性:介電強度、體積電阻率、介電常數(shù)
說明:對于電氣絕緣材料,介電強度、體積電阻率和介電常數(shù)是關(guān)鍵性能,確保材料能夠有效阻隔電流,避免電擊或短路等問題。
從“絕緣體”到“賦能者”——塑料電氣性能的工程化理解
  • 透明度和光學性能要求
關(guān)鍵特性:光學透明度、折射率、紫外線穩(wěn)定性
說明:對于需要透明的塑料制品,光學透明度是首要考慮的因素,尤其是涉及到光學鏡片、顯示屏等應(yīng)用。同時,紫外線穩(wěn)定性也是非常關(guān)鍵的,長時間暴露在陽光下不會導(dǎo)致黃變或降解。
塑料光澤度“超過”100GU是怎么回事?
只看一張圖,帶你聊透聚合物透過率的奧秘:結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系
  • 食品接觸或醫(yī)療場合
關(guān)鍵特性:無毒性、生物相容性、耐高溫
說明:在食品或醫(yī)療行業(yè),材料必須符合無毒和生物相容性的要求,并能夠在高溫、消毒等環(huán)境下使用而不釋放有害物質(zhì)。
  • 高沖擊環(huán)境
關(guān)鍵特性:抗沖擊性、延展性
說明:在沖擊或跌落場景中,材料必須具備較高的抗沖擊性能,以及一定的延展性來吸收外力而不破裂。


  • 低摩擦或滑動應(yīng)用
關(guān)鍵特性:摩擦系數(shù)、耐磨性
說明:在滑動或摩擦接觸的場景下,塑料材料應(yīng)具備較低的摩擦系數(shù),以減少磨損和熱量生成,確保長期穩(wěn)定的使用。
耐磨、自潤滑、低摩擦系數(shù),是一回事嗎?
?? 這樣,才能把零件的需求和塑料性能有效掛鉤。



03




?? 候選材料池與權(quán)衡

明確性能后,可以先從三大類中篩選:
  • 通用塑料:PP、PE、PS → 成本低,加工容易,但性能有限;
  • 工程塑料:PA、PC、PBT、POM → 機械和耐熱更強,適合結(jié)構(gòu)件;
  • 特種工程塑料PEEK、PPS、LCP → 耐高溫、耐化學,但成本高。

再結(jié)合 性能對比 + 成本 + 法規(guī) 三個維度做權(quán)衡。



04




??? 工藝驗證:別被數(shù)據(jù)表騙了
數(shù)據(jù) ≠ 現(xiàn)實,實際零件還要經(jīng)過:
  • 試模驗證:確認流動性、收縮率、加工窗口;
  • 原型測試:驗證裝配與功能;
  • 環(huán)境模擬:高低溫、濕熱、化學品、阻燃等耐久性測試。

?? 這樣才能避免“實驗室表現(xiàn)很好,實際用起來翻車”。
為什么玻纖增強產(chǎn)品,玻纖“取向”比“含量”更重要?
為什么一個小小的缺口,能夠成為塑料零件的“災(zāi)難”?(材料工程師**能力-材料力學)



05




?? 綜合平衡,做出決策
最終的材料選擇,往往是性能、成本、法規(guī)、供應(yīng)鏈、可持續(xù)性的綜合結(jié)果。
好的選材工程師,不是找“最強的材料”,而是找到“最合適的材料”。



06




?? 選材工程師專業(yè)錦囊
1?? 性能三要素:載荷 × 溫度 × 時間
短時強度 ≠ 長期壽命;常溫數(shù)據(jù) ≠ 高溫表現(xiàn)。
?? 一定要三者同時考慮。

2?? 法規(guī)與標準不可忽視
  • 電氣件:UL94、UL 溫度指數(shù);
  • 汽車件:OEM 材料規(guī)范(VW TL、GMW);
  • 醫(yī)療件:ISO 10993;
  • 食品接觸:FDA、EU10/2011。

3?? 建立選材流程清單
圖片
4?? 關(guān)注綠色與可持續(xù)發(fā)展
未來趨勢:可回收、生物基、低碳足跡,避免受限物質(zhì)。

5?? 工程師操作建議
  • 善用數(shù)據(jù)庫(CAMPUS、MatWeb);
  • 向供應(yīng)商要長期性能曲線;
  • 小樣驗證必不可少。





07




? 總結(jié)

熱塑性塑料的選材,核心邏輯是:

零件使用場景 → 對應(yīng)性能要求 → 候選池篩選 → 工藝驗證 → 綜合平衡

掌握這套方法,工程師就能在新產(chǎn)品項目中做到用對料、少返工、穩(wěn)交付