1.3　材料的分类

材料可以从不同的角度进行分类。按照化学组成来分类，可以分为金属材料、无机材料和有机材料（主要是高分子材料）三类。按照状态分类，有气态、液态和固态三类。一般使用的大都是固态材料。固态材料又分为单晶、多晶、非晶以及复合材料等。按材料所起的作用分类，可分为结构材料和功能材料两种类型。结构材料主要考虑其机械力学性能，是机械制造、工程建筑、交通运输、能源利用等方面的物质基础。功能材料是利用其各种物理和化学特性，在电子、红外、激光、能源、通讯等方面起关键作用。例如，铁电材料、压电材料、光电材料、超导材料、声光材料、电光材料等都属于功能材料。此外，也可按照使用领域分为电子材料、耐火材料、医用材料、耐蚀材料、建筑材料等不同种类。材料的分类如图1-1所示。

为了便于阐明材料制备—结构—性能—应用之间的关系，通常根据组成来分类介绍，即金属材料、无机材料、高分子材料和复合材料。

1.3.1　金属材料

金属材料有两种：一种是利用其固有特性以纯金属状态使用的，如作导体用的铜和铝；另一种是由几种金属组成或者加入适当的杂质成分以改善其原有特性而使用的，如合金钢、铸铁等。金属的键合无方向性，其结晶多是立方、六方的最密堆砌结构，富于展性和延性、良好的导电以及导热性、较高的强度以及耐冲击性。用各种热处理方法可以改变金属及合金的组织结构从而赋予各种特性。这些特点使金属材料成为用途最广、用量最大的材料。

在工业上，通常将金属材料分为黑色金属（铁基合金）和有色金属两种类型。

黑色金属主要是以铁-碳为基的合金，包括普通碳钢、合金钢、不锈钢和铸铁。钢的性能主要是由渗碳体的数量、尺寸、形状和分布决定的，而渗碳体的数量、尺寸、形态又由不同的热处理工艺所决定。合金元素的最重要功能是改善这些热处理能力，有助于使产生的组织结构在高温下更加稳定。不锈钢至少含12%的铬（Cr），这种钢暴露在氧气中时，形成一层薄的氧化铬，对表面起保护作用，因而具有优异的耐蚀性。铸铁为铁-碳-硅合金，典型的铸铁含有2%～4%的碳和0.5%～5%的硅。不同的铸造工艺可生成不同类型、不同用途的铸铁。

有色金属是除了铁之外的纯金属或者以其为基的合金，常用的有铝合金、镁合金（magnesium alloy）、铜合金（copper alloy）、钛合金等。

（1）镁及镁合金

镁由于具有优良的物理性能和机械加工性能，以及丰富的蕴藏量，被公认为是最有前途的轻量化材料之一及21世纪的绿色金属材料。镁作为实际应用中最轻的金属结构材料，在汽车减重和性能改善中有重要作用。世界各大汽车公司已经将镁合金制造零件作为重要发展方向。

（2）钛及钛合金

钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐蚀性好、耐高温等优良特性。随着国民经济和国防工业的发展，被广泛应用于汽车、电子、化工、航空、航天、兵器等领域。

（3）铝及铝合金

铝合金具有密度小、导热性好、易于成型、价格低廉等优点，已广泛应用于航空航天、交通运输、轻工建材等部门，是轻合金中应用最广、用量最多的合金。目前，交通运输业已成为铝合金材料的第一大用户。铝及铝合金是最早用于汽车制造的轻质金属材料，也是工程材料中最经济实用、最有竞争力的汽车用轻金属材料。虽然铝合金在大飞机上的应用受到复合材料和钛合金的挑战，但是其作为主体结构材料的地位还没有改变；目前正在使用的民用客机中，还在大量使用铝合金。例如，美铝公司开发的第三代铝锂合金，其与碳纤维复合材料相比，气动性好、防腐能力强、可回收，而且重量还要轻10%，制造、运行、维修成本要低30%。该型合金已经用到了波音787、空客A350XWB、A380和庞巴迪C系列飞机上。

1.3.2　无机非金属材料

无机材料是由无机化合物构成的材料，其中包括诸如锗、硅、碳之类的单质所构成的材料。硅和锗是主要的半导体材料，由于其重要性，已经独立成为材料的一个分支。

主要的无机材料是硅酸盐（silicate）材料。硅酸盐是地壳中存在量最大的矿物，折合成SiO2约占造岩氧化物的60%。与SiO2结合组成硅酸盐的氧化物主要有Al2O3、Fe2O3、FeO、MgO、CaO、Na2O、K2O、TiO2等。以硅酸盐为主要成分的天然矿物，由于分布广、采取容易，很早就被人类用作材料使用。在石器时代，直接用于制成各种工具；在史前时期，则制成了陶器；随后发展到制作玻璃、陶瓷、水泥等各种硅酸盐材料。

以硅酸盐为主要成分的材料有玻璃、陶瓷和水泥三大类。硅酸盐材料在发展过程中，使用的原料除了以硅酸盐为主要成分的天然硅石、黏土外，也采用了其他不含SiO2的氧化物和以碳为主要成分的石墨等，按照同样的工艺方法制成了各种制品。虽然这些材料已经不是硅酸盐，但习惯上仍然归属于硅酸盐材料。

20世纪40年代以来，由于新技术的发展，在原有硅酸盐材料基础上相继研制成了许多新型的无机材料，如用氧化铝制成的刚玉制品，用焦炭和石英砂制成的碳化硅制品，以及钛酸钡铁电材料等。常把这些材料称作新型无机材料以与传统的硅酸盐材料相区别。在欧美各国常把无机材料通称为陶瓷材料，因此也称上述的新型无机材料为“新型陶瓷”。

无机材料一般硬度大、性脆、强度高、抗化学腐蚀、对电和热的绝缘性好。

1.3.3　高分子材料

高分子材料通常是由脂肪族和芳香族的C—C共价键为主链结构的高分子构成的化合物为主要成分构成的，也称为有机高分子材料。人们使用有机材料的历史很早，自然界的天然有机产物，如木材、皮革、橡胶、棉、麻、丝、毛等都属于这一类。自20世纪20年代以来，发展了人工合成的各种高分子材料。高分子材料的一般特点是质轻、耐腐蚀、绝缘性好、易于成型加工，但是强度、耐磨性及使用寿命较差。因此，高强度、耐高温、耐老化的高分子材料是当前高分子材料的重要发展方向。

高分子材料有各种不同的分类方法。例如，按照来源可以分为天然高分子材料和合成高分子材料，按照大分子主链结构可以分为碳链高分子材料、杂链高分子（heterochain polymer）材料和元素有机高分子（elemento-organic polymer）材料等。碳链高分子材料的主链完全由碳原子构成，如烯类和二烯类的加成聚合物。杂链高分子材料的主链中不仅含有C，还含有其他杂原子，如O、N、S等。聚醚（polyether）、聚酯（polyester）、聚氨酯、聚酰胺（polyamide）、聚碳酸酯、聚砜（polysulfone）等聚合物都属于杂链高分子材料。元素有机高分子材料如硅橡胶的主链中没有碳原子，由杂原子Si、B、Al、O、N、S、P等组成，侧基含有有机基团。

通常根据高分子材料的性能和用途进行分类，包括塑料（plastic）、橡胶（rubber）、纤维（fiber）、胶黏剂（adhesive）、涂料（coating）、功能高分子（functional polymer）材料。本书即采用这种分类方法来介绍各类通用高分子材料。此外，高分子材料还包括聚合物共混物、聚合物基复合材料等不同结构的高分子材料。

1.3.4　复合材料

由两种或两种以上物理化学性质不同的物质，用适当的工艺方式方法组合起来，而得到的具有复合效应的多相固体材料称之为复合材料。所谓复合效应是指通过复合所得的产物性能要优于组成它的材料或者具有新的性能特点。多相体系和复合效应是复合材料区别于化合材料和混合材料的两个主要特点。

广义而言，复合材料是指由两个或者多个物理相组成的固体材料，如玻璃纤维增强塑料、钢筋混凝土、橡胶制品、石棉水泥板、三合板、泡沫塑料、多孔陶瓷等都可归入复合材料的范畴。狭义的是指用玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维、晶须、芳香族聚酰胺纤维等增强的塑料、金属和陶瓷材料。

从不同的角度可将复合材料分为若干的类别。

（1）按构成原料分类

根据构成原料在复合材料中的形态，可以分为基体材料和分散材料。基体是构成连续相的材料，它把纤维或者颗粒等分散材料固结成一体。现在习惯上常把复合材料归入基体所属类的材料中，例如把以金属材料为基体的复合材料归入金属材料的范畴，而把以聚合物为基体的复合材料归入高分子材料的范畴等。但是，对于像包层金属、胶合板之类的复合材料，则分不出哪个是基体，哪个是分散材料。

根据这种分类的方法，复合材料有三种命名方法：一是以基体为主，如树脂基复合材料、金属基复合材料等；二是以分散材料为主，如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料等；三是基体和分散材料并用，如不饱和聚酯-玻璃纤维层压板、木材-塑料复合材料等。

（2）按复合材料的形态和形状分类

可以分为颗粒状、纤维状、层状三类。

（3）按照复合性质分类

可分为合体复合（物理复合）和生成复合（化学复合）两种。合体复合在复合前后原材料的性质、形态、含量大体上没有变化。常见的复合材料，如玻璃纤维增强塑料等，都属这类复合。化学复合前后，组成材料的性质、形态、含量等均发生显著变化，其特点是通过化学过程形成多相结构。例如动物、植物组织等天然材料即属这类复合材料，目前已经应用的人造生成复合材料为数尚少。

（4）按复合效果分类

可以分为结构复合材料和功能复合材料两大类。

由于现代科学技术特别是航空、航天和海洋工程技术的要求，复合材料的发展十分迅速。复合材料的品类很多，但是目前应用最广的主要是聚合物基复合材料。金属基复合材料尚处于研究阶段，尚未达到大规模生产的程度；陶瓷基复合材料尚处于起步阶段，但二者的发展趋势十分迅猛。