Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ПРОБЛЕМА ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ С УЧЕТОМ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ ДИЗАЙН-ПРОЕКТИРОВАНИИ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Вехтер Е.В. 1 Радченко В.Ю. 1 Соловьев А.Е. 1
1 ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
При проектировании изделий основное внимание всегда уделялось практическим и функциональным особенностям продукта, а эстетическая характеристика, художественная идея, композиция и форма уходили на второй план. Сейчас осознание важности последних приобретает все большее значение, и в настоящее время актуальной проблемой является выбор материала при дизайн-проектировании оболочек и корпусов электронных устройств. Целью работы является исследование материалов на возможность их применения при дизайн-проектировании оболочек электронных устройств. Для достижения цели был проведен поиск критериев выбора материалов, анализ свойств материалов, обзор основных видов материалов и возможностей их применения при производстве электронных устройств. Подбор материалов предлагается делать на основе трех главных факторов: эксплуатационного, технологического и экономического, учитывая при этом эстетические и эргономичные параметры, которые в совокупности определяют экономическую и техническую целесообразность использования материала. Приведена классификация основных видов материалов, их свойства и возможности использования при проектировании и производстве электронных устройств.
материалы
дизайн-проект
электронные устройства
анализ свойств материалов
1. Арзамасов Б.Н., Сидорин И.И., Косолапов Г.Ф., Материаловедение: учебник для вузов. – М.: Изд-во «Машиностроение», 1976. – 384 с.
2. Арзамасов В.Б., Черепахина А.А., Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебник для вузов. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 446 с.
3. Арзамасов Б.Н., Макарова В.И., Мухин Г.Г. и др., Материаловедение. учебник для вузов. – 8-е изд. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. – 648 с.
4. Барышев Г.А., Материаловедение: учебное пособие. – Тамбов.: ТГТУ, 2007. – 140 с.
5. Сажин В.Б., Иллюстрации к началам курса «Основы материаловедения»: учебное пособие для вузов. – М.: ТЕИС, 2005. – 156 с.

Проблема эстетического совершенствования окружающих предметов стала популярной в современном мире. Сравнительно недавно при проектировании изделий значительное внимание уделялось практическим и функциональным особенностям продукта, а эстетическая характеристика, художественная идея, композиция и форма уходили на второй план; сейчас осознание важности последних приобретает все большее значение [1]. Из множества направлений промышленного дизайна проектирование электронных устройств требует особого подхода.

При проектировании дизайна любой электроники помимо эстетических составляющих необходимо учитывать условия эксплуатации. Это касается всех направлений, относящихся к форме и устройству изделия, от выбора материалов, композиции и формы конструкции до производственных и технологических процессов изготовления. Выбор материала играет важную роль и напрямую зависит от функций электронных устройств [4]. Он должен отталкиваться не только от художественных и эстетических идей, тактильных ощущений и эксплуатационных особенностей, но и от многих инженерно-технических параметров, включая электрические и магнитные свойства материалов. От этого зависит корректное функционирование и долговечность [2].

Целью работы является исследование метода подбора материалов для обоснования возможности их применения в электронных устройствах. Для этого необходимо выполнить следующие задачи: обзор основных видов материалов; анализ их свойств; определение критериев выбора материалов; обоснование применимости материалов при производстве электронных устройств,

Результаты

1. Критерии подбора материалов

Подбор материалов осуществляется исходя из трех основных принципов: эксплуатационного, технологического и экономического, которые в совокупности, определяют экономическую и техническую целесообразность использования материала [3]. Подробнее критерии рассмотрены в табл. 1.

На основе этих принципов предлагается следующий порядок подбора материалов: природа (металлы, неметаллы); химическое строение и состав; термодинамические характеристики; физические и химические свойства; механические свойства; технологические свойства; свойства рабочей среды; экономическая целесообразность [5].

2. Свойства материалов

Существуют механические, физические, химические, технологические и эксплуатационные свойства материалов.

Механические свойства – это способность материала сопротивляться деформации и разрушению, которые обусловлены воздействием внешних сил, а также особенность поведения материала в процессе разрушения [3]. При выборе материала для производства изделия необходимо учитывать механические свойства, которые включают в себя следующие показатели: прочность, упругость, пластичность, ударная вязкость, твердость, износостойкость [5].

Эти показатели в значительной степени влияют на сохранение внешнего вида изделия в процессе его эксплуатации. При хорошо подобранных материалах с достаточной твердостью, прочностью и т.д. продукт способен переносить без потери внешнего вида ежедневные бытовые воздействия, такие как контакт с различными поверхностями и другими изделиями, способными поцарапать корпус, случайный локальный либо местный нажим и т.д.

Физические свойства обусловлены химическим составом и типом межатомной связи материалов, давлением и температурой. В большинстве технологических процессов обработки материалов величина давления не превышает 500 МПа, что почти не влияет на физические свойства. Физические свойства материалов разделяют на зависимые и независимые от структуры. Последние обусловлены только температурой и химическим составом материала [3].

Общеизвестно, что материалы необходимо выбирать с учетом перепадов температур в окружающей среде, но кроме этого существуют электронные устройства, которые подвержены сильному нагреву, и температура может достигать в некоторых случаях 80–90 °C. Поэтому довольно часто имеет место вопрос об использовании материалов с соответствующими температурными свойствами.

При практическом использовании материала, в зависимости от области применения, назначения и условий эксплуатации, наиболее важными физическими свойствами являются: плотность, теплоемкость, теплопроводность, тепловое расширение и электромагнитные свойства.

Технологические свойства – это способность материала подвергаться обработке [5]. К этим свойствам относят следующие параметры:

● Литейные свойства (для металлов) – способность материала к отливке без дефектов. Зависят от жидкотекучести, усадки и ликвации металла.

● Ковкость (для металлов) – способность материала в холодном или горячем состоянии без разрушения обрабатываться давлением.

● Свариваемость (для металлов) – способность материала к образованию качественного соединения, которое близко к свойствам основного материала.

● Обрабатываемость резанием.

3. Характеристики материалов

Традиционно в материаловедении принято делить материалы на 2 части – металлы и неметаллические материалы [5]. Основные виды материалов, свойства и их использование при проектировании и производстве электронных устройств приведены в табл. 2 [3].

Таблица 1

Основные критерии подбора материалов

Принцип подбора

Описание

Эксплуатационный

Основывается на учете характеристик, определяющих работоспособность приборов, инструментов или деталей машин, а так же стойкостные, силовые и другие свойства материала, влияющие на качество изготовленных из него изделий. К ним относятся физико-механические и химические свойства материала

Технологический

Учитывает параметры, влияющие на степень пригодности материала для изготовления деталей приборов, инструментов и машин в рамках требуемого качества при минимальных затратах. Технологичность материала оценивается обрабатываемостью давлением, резанием, свариваемостью, способностью к литью и т.д. От него зависит качество и производительность изготовления деталей для изделия

Экономический

Оценивается экономичность использования материала. Обычно вычисляется стоимостью единицы массы материала в виде порошка, слитков, заготовок, проката, по которым изготовитель производит свою продукцию

Таблица 2

Основные виды материалов

Вид

Свойства

Применение

Металлы

Черные металлы

● Высокая прочность, твердость и износостойкость

● Коррозионная стойкость

Практически не используется

Цветные металлы

● Высокая прочность, пластичность и легкость

● Коррозионная стойкость

● Хорошая электро- и теплопроводность

Производство корпусов различной мелкой электроники, кухонной и мультимедийной электроники

Неметаллические материалы

Полимеры (полиуретаны, пластмассы)

● Хорошая прочность, жесткость, эластичность и легкость

● Высокие диэлектрические свойства, химическая стойкость, стойкость к коррозии и воздействию влаги

● Хорошие тепло- и звукоизоляторы

● Существуют оптически прозрачные, антифрикционные и высокоэластичные полимеры

● Технологичны и экономичны в производстве

● Подвержены горению

Широкое применение при производстве практически любого электронного устройства

Композиты

● Высокая прочность, жесткость, износостойкость и легкость

● Анизотропность, гигроскопичность

● Высокий объем

● Токсичность

● Низкая технологичность и высокая стоимость

Специальные виды электронных устройств, требующие высокой износостойкости, прочности и т.д.

Каучук и резины

● Высокая эластичность (подвержена значительным деформациям), высокое сопротивление разрыву и истиранию, способность поглощать колебания

● Газо- и водонепроницаемость

● Высокие диэлектрические свойства

● Удовлетворительная механическая прочность

● Малая морозостойкость

Изоляция электронных устройств, требующих высокой степени герметичности

Древесина

● Высокая удельная прочность, хорошее сопротивление ударным и вибрационным нагрузкам

● Малая теплопроводность и низкий температурный коэффициент расширения

● Стойкость к кислотам, солям и маслам

● Анизотропность и гигроскопичность

● Отсутствие огнестойкости

Эстетическое и художественное оформление электронных устройств. Корпуса Hi-Fi оборудования

Стекла

● Хорошие диэлектрические свойства

● Низкая механическая прочность

● Низкая прочность при изгибе

Поверхность информационных элементов

Керамика

● Высокая твердость и прочность при сжатии

● Высокая химическая и термическая стойкость

● Отличные диэлектрические свойства

Элементы электронных устройств, требующие термо- и электрозащиты

 

Рассмотрим выбор основного материала для корпуса рации (портативной радиостанции) профессионального назначения. Пользователями раций являются люди, чьи профессии могут быть как безвредными, так и связанными с экстремальными условиями труда. В этом случае при выборе материалов необходимо учитывать все возможные условия эксплуатации изделия. Материал должен обладать высокими стойкостными характеристиками к физическим воздействиям, таким как удары, давление, скольжение по грубым поверхностям и т.д. Поэтому выбор основных материалов корпуса достаточно широк, это может быть твердый металл, полимер либо композит. Далее, исходя из технологического принципа подбора и позиционирования рации как устройства, не требующего материалов с высокими эстетическими свойствами, где на первом месте стоит идея практичности, удобства и надежности, рациональнее выбрать полимерный материал.

Производство корпусов составной морфологии включает несколько сложных и дорогостоящих операций, не менее сложен процесс производства из композитных материалов. Применение полимеров позволяет упростить и удешевить технологию производства.

Неудивительно, что большинство производителей раций используют именно этот материал, варьируя толщину корпуса, его внутреннюю конструкцию применяя различные конструктивные решения для увеличения жесткости изделия и придания заданных свойств изделию и т.д.

Заключение

Дизайн-проектирование электронных устройств представляет собой особый вид деятельности, при котором, помимо художественного видения, необходимо обладать знаниями в технической области проектируемого продукта. От этих знаний зависит верный выбор материалов, который основывается на их механических, температурных, электромагнитных и технологических свойствах. От материалов зависит корректная работа, долговечность, сложность обслуживания и безопасность как самого продукта, так и пользователя.

Проделанная работа позволяет при выполнении дизайн-проектов оболочек и корпусов различных электронных устройств оптимально подобрать материалы, отталкиваясь от их свойств, которые могут в той или иной степени повлиять на эксплуатационные характеристики устройства, от функций и условий эксплуатации проектируемого электронного устройства.

Рецензенты:

Захарова А.А., д.т.н., директор Института кибернетики, Томский политехнический университет, г. Томск;

Люкшин Б.А., д.т.н., профессор, зав. кафедрой механики и графики, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, г. Томск.


Библиографическая ссылка

Вехтер Е.В., Радченко В.Ю., Соловьев А.Е. ПРОБЛЕМА ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ С УЧЕТОМ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ ДИЗАЙН-ПРОЕКТИРОВАНИИ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 10-3. – С. 458-461;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=39237 (дата обращения: 14.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074