产品创新设计原理
第六讲：物质—场分析
时间：90分钟
目的：1、掌握物质-场模型的构建方法
2、掌握物质-场模型分析系统的方法
课程大纲
一、物质-场的概念
二、基于物质-场的物理效应建模
三、典型的物质-场变换:标准解
－－在物质-场中如何增加新物质
－－如何在物质－场中引入场
Altshuller认为，所有的功能都可以分解为两种物质和一种场，即一种功能由两种物质及一种场三个要素组成，分别是目标、工具和场。
产品是功能的一种实现，因此，可用物质-场（Substance-Field：Su-Field）分析产品的功能，把已有技术系统的问题模型化，这种方法是TRIZ最重要的分析工具之一。
引 言
物质（S）是指各种复杂级别的物体的通用称谓，有可能是单一的元件（如螺栓、销、杯子），也可能指复杂的系统（汽车、航空器、或者大型计算机主机）。
物质的状态
典型的物理状态（如真空态、等离子态、气态、液态、固态）。
大量的中间态和混合态（比如烟雾、泡沫、粉末、凝胶、气溶胶、沸石）。
这些状态的物质有各自特性，如热学、电学、磁学、光学以及其他特性（热绝缘、半导体、铁磁性、发光体等等）。
1、什么是物质？
物质-场的概念
一、
完成某个过程的作用或形式称作场。
场（F）在TRIZ中包括：
物理场：电磁场、重力场、强相互作用，弱相互作用，还有光学场、化学场、声学场等。
TRIZ的场提供能量流、信息流、力、相互作用或产生某种效果的反作用。
场的存在必须依赖于某种物质的存在，物质是场的来源。
2、什么是场？
物质-场的概念
一、
物质-场的概念
一、
3、最小技术系统：物质－场模型
TRIZ中最小的具有机能、可控的技术系统的图形表现就称为物质-场模型（Su-Field Model）。
两种物质、一种能量及其相互作用可以完成单一功能，所以构成一个最小技术系统，在TRIZ中称为“物质－场” 。
物质-场的概念
一、
S1表示物质，S2表示工具，Ｆ表示能量。 两种物质S1及S2，一种场Ｆ，所构成的系统称为物质－场。其模型如图所示。
物质-场的概念
一、
物质－场分析过程的符号系统如表所示：
物质-场的概念
一、
4、物质与场之间的相互作用
物质-场的概念
一、
物质之间的相互作用通过场进行，Ｆ２与Ｆ１可以相同或不同。相同时Ｆ２可以去掉。
物质-场的概念
一、
例：
物质-场的概念
一、
F input 输入场 F control 控制场
F output 输出场 Substance(s) 物质(组)
P 参数, 如形状、维数、空间等
二、基于物质-场的物理效应建模
1、热膨胀的物质-场模型
物质的输入为热量，输出为力及物质的形状。
二、基于物质-场的物理效应建模
2、压电效应物质-场模型
压电晶体在受到压力的作用下产生电压。
二、基于物质-场的物理效应建模
3、效应链
将单一效应组合，可以形成效应链。
二、基于物质-场的物理效应建模
4、物理效应物质-场模型的应用
例: 微调节注射泵是在生物体内注入或提取微量液体的装置。由针头、柱塞、容器构成。柱塞的移动借助于手工或电驱动装置完成。现代微调节注射泵的精度可达到±µL。
二、基于物质-场的物理效应建模
步骤1： 确定物质S1. 被移动的液体， S1liquid
步骤2: 确认S1如何被改变. S1liquid被移出容器.
步骤3: 确认导致该变化的F1. 机械场(力) F1mechanical
可以导致该变化.
步骤4: 这种场存在吗? 假定不存在, 转步骤5.
二、基于物质-场的物理效应建模
步骤5: 确认能产生F1mechanical的F2→S2.
(1) 热膨胀效应: Fthermal →Ssolid or liquid
(2) 压电效应: Felectrical → Spiezoceramics
(3) 磁弹性效应: Fmagnetic →Sferromagnetic
步骤6: 产生概念
Fthermal →Ssolid or liquid : 加热固体或液体,产生膨胀,使 液体移动;
Felectrical → Spiezoceramics: 电场中的压电晶体膨胀,使液体移动;
Fmagnetic →Sferromagnetic: 磁场中的磁弹性材料膨胀,使液体移动.
二、基于物质-场的物理效应建模
技术系统可以用物质-场模型描述。典型的模型如图所示。
S1
S1
F
S1
S2
S1
S2
F1
S1
S2
F1
F2
S1
S2
F1
F2
S3
S1
F1
F2
S1
S2
F2
F1
(1)(2)(3)不完整的物质－场
(4)完整的物质－场
(5)并联的物质－场
(6)串联的物质－场
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
（8）
(7)(8)用于检测的物质－场
典型的物质-场变换:标准解
三、
假如待改进的系统建立了物质-场模型，将该物质-场模型传递到新状态的方法称为标准解。初始物质-场模型为ISM， 需要的物质-场模型为DSM。其过程如图：
根据问题描述建立初始物质－场模型（ISM）
结合（ISM）与典型物质－场模型
识别对应的标准解
编写需要的物质－场模型（DSM）
识别DSM的实际结构，进行概念设计
识别
1、执行的功能
2、物体 S1
3、工具S2
4、场 F
5、S1 S2与F之间的相互作用
典型的物质-场变换:标准解
三、
完善具有不完整功能的系统（标准解）
典型的物质-场变换:标准解
三、
例：金属扎制的过程中其变形区需要润滑液润滑。
典型的物质-场变换:标准解
三、
完善具有不完整功能的系统（标准解）
通常液体润滑液通过刷子及喷雾装置施加到变形区域.
问题：润滑液不均匀，润滑液粘满棍子，浪费很多。
分析：
实现功能：将所需要量的润滑液施加到变形区域。
现状：采用压力实现润滑液的流动。
原因：没有合适的工具。
F1pressure 为压力
S1lubricant 为物质
典型的物质-场变换:标准解
三、
完善具有不完整功能的系统（标准解）
按标准解要引入F2→S2，施加机械作用于S1（lubricant）上。如图所示：
要引入S2， 由S2施加S1，但S2不能干扰扎制过程。即，S2在变形区施加S1的同时，要消失。
F2最好采用系统可用资源。扎制过程中的机械场及热场是可用资源。
典型的物质-场变换:标准解
三、
完善具有不完整功能的系统（标准解）
解：充满润滑液的纸被进给到辊子与金属带之间，纸在高温下燃烧，在扎制区均匀留下润滑液。
典型的物质-场变换:标准解
三、
完善具有不完整功能的系统（标准解）
消除物质-场中的有害作用
a.当完整场模型中两种物质之间有用及有害作用同时存在，为了保持有用作用，消除有害作用，通常的方法是引入一种新物质，将原来两物质隔离。
典型的物质-场变换:标准解
三、
例：需要数千张厚度为毫米的圆形铝盘在车床上车削加工。
问题：加工中铝盘出现弯曲、变形、及边缘撕裂等问题。
典型的物质-场变换:标准解
三、
消除物质-场中的有害作用
分析：S2与S1之间的有用与有害作用同时存在。可以引入S3使S1强度足以完成切削加工。
典型的物质-场变换:标准解
三、
消除物质-场中的有害作用
解：将一打铝盘置于水中，使其结冰。冰坨使铝盘可 以加工。如图所示：
典型的物质-场变换:标准解
三、
消除物质-场中的有害作用
b.与上一个方法类似，但不允许引入新物质,引入的第三种物质是S1或S2的变形S3。
典型的物质-场变换:标准解
三、
消除物质-场中的有害作用
为了增加S3的可控性, 需要增加一个辅助功能.
主要物质-场模型
辅助物质-场模型
典型的物质-场变换:标准解
三、
消除物质-场中的有害作用
例:
管路运送钢珠。
典型的物质-场变换:标准解
三、
消除物质-场中的有害作用
c.假如两种物质间的有用及有害作用同时存在，两种物质又必须直接接触，有用作用由F1提供，则采用F2中性化有害作用。
典型的物质-场变换:标准解
三、
消除物质-场中的有害作用
例：通风机械工作在充满蒸汽与液滴的环境中。
问题：直径相对较大的液滴（直径为50-800µm)，与高速旋转叶片撞击，使其受到侵蚀，影响其工作。
典型的物质-场变换:标准解
三、
消除物质-场中的有害作用
分析：如果直接在叶片上形成冰的保护层则效果很差。F2的任务是不使叶片与水滴接触。
典型的物质-场变换:标准解
三、
消除物质-场中的有害作用
解：采用电晕放电原理，使水滴及叶片均带电，但相斥，从而使水滴不与叶片接触。
典型的物质-场变换:标准解
三、
消除物质-场中的有害作用
检测与测量的问题通常涉及到对某种物质的检测与测量。按物质-场的观点分析，有图中的几种情况：
检测与测量
典型的物质-场变换:标准解
三、
a.假如一个系统中的某个问题需要检测与测量，改变系统，使之不再需要。
例：电烙铁经常用于昂贵电路板的补焊与维修。为了避免对元器件及电路板本身的伤害，电烙铁头部的温度应控制在允许使用范围内的最低温度。
通常，技术将温度调整到高于最低使用温度的范围，这增加了电路板过热的危险。采用自动控制，将增加系统的复杂性与成本。
检测与测量
典型的物质-场变换:标准解
三、
分析：如果一个系统需要精确的温度控制，最好采用某种物质，该物质将温度维持在该温度范围内。为了实现上述目标，利用“居里点”是一种自然的选择，在该点之上，铁磁物质失去磁性。
检测与测量
典型的物质-场变换:标准解
三、
解：电烙铁头部设计成一个模块。铜棒周围覆盖一层铁镍合金。线圈中的交变电流产生高频交变磁场，在铁镍合金中诱发旋涡型电流，产生热量，并加热铜棒（头部）。
当铁镍合金中的温度到达居里点时，合金对磁场不敏感，温度不再增加。当温度降低到居里点以内时，材料对磁场敏感，温度增加。因此可以保持电烙铁头部温度保持在±1℃。
改变铁镍合金，可以改变温度。
检测与测量
典型的物质-场变换:标准解
三、
b、假如检测一个非完整物质-场中的某个元素是困难的，使其完整，并将一个场作为输出。
例：电冰箱冷却管路的检测需要一个简单、方便、低成本、可靠的方法。
检测与测量
典型的物质-场变换:标准解
三、
分析：泄露的液滴为S1，其ISM是不完整模型。应增加S2，它与F optical作用，使S1可见，或转换另一种场，使其变成F optical。
检测与测量
典型的物质-场变换:标准解
三、
解：
（1）管路外表面涂上一层漆，如果有泄露，漆表面会鼓包，并可以观察到。
（2）荧光可以将紫外线辐射转换成可见光。在电冰箱的管路系统空间中临时放如荧光源，使泄露处显现。
检测与测量
典型的物质-场变换:标准解
三、
物质-场分析的概念之一是使不完整的物质场变得完整。这通常会增加系统的复杂性，还可能导致不希望的技术效果。
解决基本思想是：引入物质或场，又不引入物质或场。
标准解
假如需要引入一种物质，因为要求或条件所限不能引入该物质。可采用间接方法：
（1）采用系统所处环境中的物质；
（2）采用虚无物质：发泡、多孔、空气、缝隙等。
典型的物质-场变换:标准解
三、
例：制造光学清晰液体的过程要检测其杂质。假如样品中的杂质超标，样品所在的母体要重新处理。杂质是无磁性的小颗粒，在制造的不同阶段进入液体。好的检测方法是光学法：激光扫描样品，通过颗粒反射，记录颗粒数。
问题：当颗粒的直径较小时（如小于580nm)，颗粒不能被反射。
需要发明新的检测方法与仪器。
典型的物质-场变换:标准解
三、
物质-场分析：在初始的物质-场中，微小粒子S1不能被场F1检测到。第2种物质S2应引入，附加到S1，S2将F1转变为可反射的光F1’ 。
典型的物质-场变换:标准解
三、
S2应能满足三种主要需求：
（1）S2应足够大，以放射光线。
（2）S2应足够粘，能附着在S1上。
（3）S2不能污染被测清洗液体。
解：气泡用于检测粒子。加热作为样品的液体，在粒子周围的液体首先沸腾，并产生气泡。气泡很快长大，容易检测到。
应用已有物质的变形，或其中的部分作为工具，以解决问题。
（1）及（2）比较容易满足，但（3）比较困难。
理想的方法S2应是S1的一种变形。
典型的物质-场变换:标准解
三、
标准解
假如系统内部及外部已存在的场均不能被采用，而某种场的承载物质或资源在系统中或环境中已存在，可以采用该场．
例：一种滑动轴承。通常采用热传感器测量轴承的温度，温度升高过快预示着轴承所承载机构的可能发生事故。
典型的物质-场变换:标准解
三、
升温过快时，传感器送出电信号，该信号控制一快速关断子系统开关，使机构停止运转，确保安全。
问题：热量需经过一个传递路径到达传感器，这段时间延迟可能导致事故的发生。
因此，需要设计一种新原理检测系统。
物质－场分析：下图是ISM及DSM。
典型的物质-场变换:标准解
三、
其中：S2是一种能产生电场Ｆel的物质。
解：采用轴承外圈作为S2。
原理：处于接触的两个导热体之间，由于热分布不同，产生电动势，测量该电动势可以得到温度变化的信号。
典型的物质-场变换:标准解
三、
课程回顾
一、物质-场的概念
二、基于物质-场的物理效应建模
三、典型的物质-场变换:标准解
四、在物质-场中如何增加新物质
五、如何在物质－场中引入场
