先进结构与复合材料重点专项

1.1.2　材料的分类

材料是指制造人类社会能接受的、经济的有用物品的物质。工程材料是指材料领域中与工程有关的材料，主要应用于机械制造、航空航天、化工、建筑与交通等部门。

按其应用领域可分为机械工程材料、建筑工程材料、电子工程材料、航空材料等；按其性能特点可分为结构材料和功能材料：结构材料是指承受外加载荷而保持其形状和结构稳定的材料，是以强度、刚度、韧性、硬度、疲劳强度等力学性能为主，兼有一定的物理、化学性能；功能材料是指具有一种或几种特定功能的材料，用于非承载目的的材料，是以声、光、电、磁、热等物理、化学、生物性能的材料。功能材料是能源、计算机、通信、电子、激光等现代科学的基础，在未来的社会发展中具有重大的战略意义，如：贮氢材料、梯度功能材料、纳米金属材料、智能金属材料等。结构材料用量极大，是当代社会的主要材料，是本书讨论的重点；功能材料目前用量虽小，但却是高新技术的关键，是知识密集、技术密集、附加值高的新材料。

工程上通常按材料的化学属性以其最基本结构单元——原子间的主要化学键可将材料分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料四大类。钢铁、陶瓷、塑料和玻璃钢分别为这四种材料的典型代表。

1．金属材料

金属材料是用量最大、用途最广的主要工程材料，历来占据材料消费的主导地位，并预计在未来的相当长时间内还将延续下去。它包含两大类型：黑色金属和有色金属。

（1）黑色金属材料——主要是指钢铁材料。

钢：按化学成分分碳素钢、合金钢等；按品质分普通、优质、高级优质钢等；按金相组织分珠光体、贝氏体、马氏体和奥氏体钢等；按用途分工程结构、工具、特殊性能、专业用钢等；按冶炼方法分平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢等。

铸铁：按石墨形态及性能又分为灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁、特殊性能铸铁等。

（2）有色金属——常分五大类，分别为：①轻金属（ρ＜4.5g/cm³），如铝、镁、纳、钙等；②重金属（ρ＞4.58g/cm³），如铜、镍、铅、锌等；③贵金属，如金、银、铂、铑等；④类（半）金属，如硅、硒、绅、硼等；⑤稀有金属，如钛、锂、钨、钼、镭等。

金属材料的基本特性：a．金属键，常规法生产的为晶体结构；b．常温下固体熔点较高；c．金属光泽；d．纯金属范性大、展性、延性大；e．强度较高；f．导热、导电性好；g．空气中易氧化，如钢、铁等生成氧化膜，合金可改性抗氧化。

用途：结构材料，如机床、机械设备、工程交通工具；导体材料，如电线芯（铜）工具等。

2．无机非金属材料

按成分，化学结构和用途分四大类：混凝土、玻璃、硅及耐火材料陶瓷（器）。其中陶瓷又分为：传统陶瓷（天然硅酸盐矿，各中黏土烧制而成）和特种陶瓷（人工化合物：氧化物、氮化物、硼化物、碳化物）。

基本特性：以陶瓷为例（其他有较大差别）a．离子键、共价键及其混合键；b．硬而脆；c．熔点高、耐高温抗氧化d．导热、导电性差；e．耐化学腐蚀性好；f．耐磨；g．成型方式为粉末制坯、烧制成型。

用途：建筑卫生陶瓷，如瓷砖、浴缸等；工程结构陶瓷，如反应釜（耐酸、耐腐蚀）、绝缘瓷瓶；功能陶瓷，如磁性、导电材料。

3．高分子材料

按主链结构分为碳链—C—C—C、杂链—C—N—C　O—C—O—C—等；按使用性质分为塑料橡胶、合成纤维、黏合剂、涂料等。

基本特性：a．共价键，部分范氏键；b．分子量大，无明显熔点，有玻璃化转变温度T_g和粘流温度T_f；c．力学状态有三态，分别为玻璃态、高弹态、黏流态；d．比重小；e．绝缘性好；f．优越的化学稳定性；g．成型方法多。

用途：结构材料，如电视机壳体、冰箱壳体、轴承、机械零件等；绝缘材料，如漆包线、电缆、绝缘版、电器零件等；建筑材料，如贴面板、地贴；包装材料，如塑料袋、薄膜、泡沫塑料等；涂装，如涂料等；黏合剂；日用，如织物（衣服）胶鞋等；运输，如轮胎、传送带等。

4．复合材料

金属、高分子、陶瓷材料各有优缺点，若将以上两种或两种以上的材料微观地组合在一起形成的材料，并且具有与其组成不同的新的性能的材料便是复合材料。复合材料发挥了其组成材料的各自长处，又在一定程度上克服了它的弱点，因而是一种新型的优异材料。

按性能分为结构复合材料、功能复合材料；按增强剂形状及增强机理分为粒子增强、纤维增强复合材料；按基体材料分为树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。

基本性质：a．抗疲劳性能良好；b．结构件减震性好；c．比强度和比量高；d．耐烧能性和耐高温性能好；e．具有良好的减摩、耐磨和耐润滑性能。

用途：对于无机—高分子玻璃纤维增强塑料（玻璃钢），可用于汽车、游艇等；碳纤维增强塑料可用于飞机机翼、高尔夫球棍、撑竿跳等；金属—陶瓷复合材料可用于飞机螺旋桨叶等；高分子—高分子复合材料，如橡胶增韧塑料，可用于抗冲PSABS树脂等减震材料，硼连续纤维增强的铝基复合材料制成管材做航天飞机结构桁架等。