摘 要：近年来，我国城市化与工业化的发展随着科技革新而日新月异，其中石油基材料资源短缺、污染环境的问题已不容小觑。为推动工业设计行业可持续发展、进一步维护生态资源环境，文章就新型生物基复合材料的特点与其在工业设计中的应用展开研究分析。
关键词:新型生物基复合材料;工业设计;绿色经济;
随着经济与社会的变革，工业设计正处于国家大力发展的新阶段，作为工业设计发展先进标志之一的新材料应用也被广泛关注。近年来，由于世界性能源短缺与环境污染等问题层出不穷，因此有着防止“白色污染”概念的生物基复合材料应运而生。这种新型材质的原料皆为天然，被认为是最有可能普遍代替传统石油基材料，实现生态保护与经济发展双赢的新型材料。因生物基复合材料的环保特性，各国都将其视为研发工业材料领域的重点，而民间企业也在不断尝试将生物基复合材料与现代工业产品相结合。
一、新型生物基复合材料的相关特点
（一）新型生物基复合材料的定义
作为一种新型材料，生物基复合材料的原料来源于天然动、植物与微生物：竹子、谷物、豆类或其他植物的秆茎，通过物理化学的方法与其他种类材料复合，形成具有两类材料特点的新性能材料。由此可得，新型生物基复合材料与传统石油基复合材料最大的区别在于原料是否具有再生性。
生物基复合材料按原料复合的方式可分为两类：一类是直接利用自然材料进行复合得到的天然高分子生物基复合材料；另一类是间接利用可再生资源，通过物理化学的方法将自然材料转化为低分子量的化合物单体而得的合成高分子生物基复合材料，如嵌入式生物基环氧树脂或固化剂等。
作为中国七大战略性新兴产业之一的材料产业，新型生物基复合材料正以制造绿色环保、有价值并且可以高能代替石油基材料的目的构建产业创新研发平台，加速工业生物基产品开发，为实现可持续发展不断发力。
（二）新型生物基复合材料的特点
新型生物基复合材料的原料来源广泛，不仅可以再生且成本低廉，适合大批量生产，废弃后可自行分解，不会污染环境。新型生物基复合材料通过物理化学手段将两种及以上材料进行转化，得到兼有传统材料性能的新材料，扩大了传统材料的应用领域。
以植物短纤维—生物基复合材料为例，这类材料以天然植物纤维与有机化合物为原料进行复合，得到的成品具有高强度、颜色丰富、纹理自然、可重复加工的特点，且现制成的产品已取代部分无机化合物制品。
二、新型生物基复合材料在工业设计中的应用
（一）高性能仿生塑料在食品包装盒中的应用
塑料产品在日常生活中被广泛使用，由于其轻便廉价且具有极端稳定的化学性能，废弃后极难降解，造成持续性的环境污染问题被称为“白色污染”。塑料制品对地球生态造成了严重损害，采取治理措施刻不容缓。
2021年，中科院某材料研发团队在研发高分子生物基复合材料时创新性地选用结构仿生观念，创造出一种新型材料制造方法，实现了该新型高分子材料的规模模块化生产。该新型材料由纤维素纳米纤维（CNF）和二氧化钛包覆的云母片（Ti O2-Mica）这两类天然材料混合制备，并命名为“仿生塑料”。该新型材料稳定的生化特性，使得它可降解、耐高温，被认为是代替传统塑料使用的创造性发明。“仿生塑料”优越的力学性能来源于其原料中云母片的砖—泥结构，它拥有高强度和高韧性的特性，极大提高了材料的韧性和延展性能；耐热性能优势则来源于纤维素纳米纤维，它使新材料在-130℃—150℃的范围内几乎不变形，而这是传统石油基塑料所不可达到的。“仿生塑料”拥有更高、更平和的杨氏模量，可在低温与高温无缝切换中几乎保持稳定。作为一种新型生物基复合材料，“仿生塑料”不论是在使用环境或是材料特性方面都更稳定、更环保，可以作为在温差较大、温度较高环境下传统塑料的可持续代替品。
微波炉餐盒是常见的食物分装工具，有塑料、玻璃，陶瓷等材质。以塑料餐盒为例，作为与食物接触的产品，各大厂家均选用聚丙烯材质（PP）作为盒身材质，使用温度范围为-20℃—100℃/120℃，由于其较高的耐热性不会造成产品损坏或释放有害物质。但聚丙烯材质存在韧性差、易老化变形等问题，这时用微波加热会使得老化塑料释放有害物质危害人体健康，因此塑料饭盒的保质期通常为2—4年，如果使用较频繁最好1—2年就进行更换，且聚丙烯材质需要20—30年才能降解，在此过程中还会释放毒素污染环境。而“仿生塑料”所拥有的延展性能和热性能可以解决上述问题：极佳的延展性能使得产品不会轻易变形，较低的热膨胀系数可使产品在冷冻与高温间来回切换，不必担心产品老化变脆的问题。作为产品的生命线，新材料多样的色彩与方便加工的特性可为消费者提供更多成品选择。最重要的是以天然材料为原料的“仿生塑料”在废弃回收后也不会造成环境污染，这是一种优秀、安全、环保的新型材料。
（二）亚麻基复合材料在游艇设计中的应用
世界上第一艘带有游艇意味的船只出现在17世纪的英国，自此，游艇行业开始崭露头角。20世纪初，随着一种新型材料—玻璃钢的诞生，游艇行业进入了全面发展时期。由于玻璃钢（玻璃纤维增强塑料）的材料特性以及低廉的材料成本，使得不少设计公司将其作为游艇制造材料的首选。玻璃钢材质具有高强度、抗侵蚀、防附着、可塑性强、质量较轻的优点，所以该材料常被制作成船体结构。20世纪六七十年代的欧洲掀起出一股用玻璃纤维设计船只的热潮，大量的小型休闲用船被生产，游艇业迎来了繁盛时期。如今五十多年过去了，那些船只已到寿命尽头，被废弃回收。这些废弃的玻璃钢制船给各国后续的回收工作造成极大负担。有些无人回收的船只，被遗弃在海面上，经过风吹日晒被瓦解成洋流中的小碎片，伤害海底动植物生命，最终分解为微塑料，这些微塑料成了全球海洋污染的罪魁祸首。
由弗里德里希创办的“绿舟”（GREENBOATS）公司，为解决这类问题而积极探索研发新材料，通过亚麻纤维、软木和生物基（亚麻籽油）环氧树脂中复合出绿色、安全的新型生物基复合材料—亚麻基复合材料。新材料有着亚麻纤维的刚度、抗冲击和耐磨的特性，拥有独特的减震功能；而软木为新材料提供了低密度与防水性。此外，由于玻璃纤维极易致人过敏，而亚麻纤维作为天然原料，对人体刺激极小，能有效维护工人身体健康；最重要的是，亚麻纤维与软木可被微生物分解，且不会残余有害物质。
Green Bente24号帆船的船体就是采用亚麻基复合材料通过真空灌注法制成。船体如被损坏，船身不会被分割，也不会在水中释放有毒物质。该新型材料的强度与硬度虽稍逊于玻璃钢，但是亚麻纤维的密度只有玻璃纤维的一半，所以由新型材料制成的绿色船只重量要比玻璃纤维船只少100磅，能完成更为复杂和快速的航海任务。
（三）纳米纤维复合材料在鞋类设计中的应用
由于奔跑时地面传递给身体的震动是步行的8倍，所以运动鞋都拥有一层防震减缓的结构，俗称中底，它位于鞋身与鞋底之间，厚度约有两厘米。运动鞋常用的中底材料有：EVA、IP、PHYLON，三者属性相同，而叫法不同，性能也各有差异。首先是乙烯-醋酸乙烯共聚物材质（EVA），作为传统的中底材质，一次发泡的EVA适用范围最广泛。EVA鞋底质量轻，着色性、弹力强，脆性、减震性与缓冲性表现佳，同时也存在磨损性高的缺点。其次是IP材质，IP材质也是一次发泡，被称作高弹EVA。相较于普通的EVA,IP材质触感较硬，更具弹力更防损耗，在防滑性等功能方面表现更佳。因其优秀的耐磨性，可以直接用于拖鞋鞋底，或童鞋鞋底。最后是PHYLON材质，它是一种二次发泡的EVA，弹力、舒适度、减震性能远优于传统EVA，但不耐高温且不易降解。另外，由于是两次发泡，PHYLON材质需要消耗更多人力物力及加工时间，产量也仅有IP材质的一半，因而市面上PHYLON的鞋型不常见。
为兼顾功能性与成本，以日本京都大学为主体的产业学校联合小组开发出了纤维素纳米纤维（CNF）补强树脂材料。亚瑟士的“GEL-KAYANO 25”则是世界上第一双采用CNF材质作为鞋中底并被制作销售的运动鞋。
京都大学的产业联合小组通过将变性纤维素与聚丙烯、聚乙烯等材质进行综合开发而得到新型复合材料，被认为有望作为树脂增强纤维使用。CNF具有重量轻、高弹性、高强度、高舒适性且不易产生热膨胀等特性，是十分适合运动鞋的中底材质。日本星光集团在新材料开发的基础上，改良完成了CNF复合材料的商品化，并在2018年1月以“STARCEL”品牌名称投入生产。作为亚瑟士产品科技含量最高的系列，GEL-KAYANO在上市二十多年来备受田径运动员喜爱，而“GEL-KAYANO 25”的鞋底中层，首次采用了“STARCEL”的CNF复合材料代替部分发泡材料，优秀的缓冲、支撑表现为跑者提供了更轻弹的脚感体验。
（四）碳化硅陶瓷基复合材料在航空发动机中的应用
随着现代空间技术、工业制造、能源等方面的高速发展，更高尖的工业产品对新型材料的生化特性诸如耐高温性、弹性、抗侵蚀性等要求愈发严苛。以耐高温材料为例，常见的有高温合金与难熔金属合金：能在600℃—1200℃高温高压环境下工作的合金材质被称为高温金属，拥有耐高温，高硬度的特点；难熔金属指拥有2000℃以上熔点的金属，通常是指钼、铌、钽、钨和铼等材料，有耐高温、耐侵蚀等特点，但受涂层性能的限制，难熔金属合金最高工作温度一般不超1400℃。上述两类传统高温金属材料在核能研制、航天器等方面，尤其在航空发动机设计中使用普遍。在航空发动机的工作运程中，当发动机的重量与推力比值达到一定数值时，涡轮部位的温度可达到1600℃及以上，是传统高温合金无法胜任的工作环境，同时传统高温金属还存在密度高、质量重的情况，因此发展碳化硅陶瓷基（CMC-Si C）这种轻质、耐高温的复合材料迫在眉睫。
CMC-Si C是一种集金属、陶瓷、碳材料性能优势于一体的新型复合基材料，拥有高硬度也可耐高温，因其一体化的结构特征，该新型生物基材料拥有的高强度的机械性能解决了原材料在高温下对韧性的影响与易受外部冲击造成损伤等问题，同时密度仅为普通高温合金的三分之一。在实验中，新材料的强度随着温度的升高而有升高的趋势，与在疲劳环境下表现一致，因其热膨胀系数小，所以产品在高温状态下不易变形。因其良好的机械、化学性能，所以抗高温耐腐蚀，在工作环境中不易氧化。同时CMC-Si C材料的结构特性，不会造成航空飞机灾难性的损毁。经过多次实验分析得出，将碳化硅陶瓷基复合材料用于发动机的热端部件，可使航空发动机构件工作温度与动能大幅提高，而整体重量可减去一半或更多。
提高航空发动机的整体质量和发动机构件的耐高温性是发展先进航空和高性能航天器的重中之重，耐高温、低密度的碳化硅陶瓷基复合材料将比传统高温合金更适合未来高性能航空发动机高温的燃烧室且拥有更长的使用寿命，是高推重比航空发动机高温部件用的关键热结构材料之一。
三、结语
随着生化科学的突飞猛进以及复合材料在工业产品领域的广泛应用，生物基复合材料的使用范围比以往任何时候都广且更有可能代替化石原料。作为我国战略性新兴产业，研究推广生物基复合材料已经成为发展绿色经济，建设可持续发展社会的必由之路。材料作为工业设计的根本，为产品成型奠定基础，没有材料，一切为产品构思的创意都将成为空谈，无法真正实现。材料行业的每次变革都直接影响着工业设计，新型材料为设计提供无限可能，也为设计师天马行空的想法提供物质支撑；同时断发散的设计构思也对材料产生新的需求，敦促材料的研发创新，两者相辅相成合为一体，不可分割。材料在工业设计中的重构与创新，使人们对世界的认知更加清晰。作为未来的工业设计师，我们应该熟悉各类材料的功能特性与成本价格，充分利用现代科学技术，选择最合适的材料，为产品、为消费者、为企业、为社会创造更多价值。
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