在《材料的概念及其分类方法》中,我们提到:材料类型非常复杂,有许多种不同标准的分类方法。其中,基于组成材料的化学成分进行分类,是材料科学中最主要的分类方法之一。根据组成化学成分,材料通常可分为金属材料、有机材料(有机高分子材料)、无机材料(无机非金属材料)和复合材料四大类。
一、金属材料
金属材料是指纯金属及其合金。合金是由两种或多种金属元素或金属与非金属元素组成的材料,其性能通常优于单一金属。地球环境下,绝大多数金属材料具有以下特性:
• 容易导电:金属材料具有优良的导电性能,常用于电线、电缆等
• 传热性好:金属材料具有良好的导热性能,常用于散热器、热交换器等
• 强度很高:金属材料具有较高的机械强度和韧性,适用于承受较大应力的结构件。
• 延展性好:金属材料容易进行加工成型,如锻造、轧制、挤压等。
• 不易燃烧:多数金属材料不易燃烧。
金、银、铜、铁、铝等都是我们日常生活中常见的金属材料。钢铁广泛用于建筑、汽车、桥梁等。铝合金轻质,且强度较高,常用于航空、航天、交通工具等。铜的导电性能优异,常用于电线、电缆等。而常用的水银体温计中的水银,即汞,属于液态金属材料,流动性强,有毒性。
二、有机材料(有机高分子材料)
有机材料是由大量重复的单体单元通过共价键连接而成的大分子化合物构成的材料。有机高分子材料往往具备以下特性:
• 密度较小:高分子材料通常密度较低,材质轻盈,适合用于轻量化设计。
• 柔韧性好:许多高分子材料具有良好的柔韧性和弹性。
• 耐腐蚀性:高分子材料通常具有良好的耐腐蚀性。
• 易加工性:高分子材料可以通过注塑、挤出等多种方法进行加工。
• 电绝缘性:大多数高分子材料具有良好的绝缘性能
• 耐热性差:多数有机材料不耐热,遇高温容易老化。
• 结合力强:部分有机材料结合力非常高,尤其是通过共价键连接的高分子材料。
常见的有机材料有塑料:如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)等,用于包装、容器、管道等。橡胶:如天然橡胶、丁苯橡胶(SBR)等,用于轮胎、密封件等。纤维:如尼龙、聚酯纤维等,用于纺织品、服装等。涂料和粘合剂:如环氧树脂、聚氨酯等,用于表面保护和粘接。
三、无机材料(无机非金属材料)
无机非金属材料是指除金属材料以外的无机化合物材料,主要包括陶瓷、玻璃、水泥、碳纤维等。一般具有以下常见特性:
• 耐高温不燃:许多无机非金属材料具有很高的耐热和不燃性能,适用于高温环境
• 耐腐蚀较强:无机非金属材料通常具有良好的耐腐蚀性。
• 耐压强度高:多数无机材料耐压强度高。
• 绝缘性良好:大多数无机非金属材料具有良好的绝缘性能,适用于电气设备。
• 硬度脆性大:无机非金属材料通常硬度高,但同时也较脆,容易断裂。
• 化学稳定性:许多无机非金属材料在化学上非常稳定。
• 使用寿命长:大多数无机非金属材料的使用寿命都比较长久,非常耐用。
属于无机非金属的常见材料有:陶瓷可用于餐具、卫浴洁具、绝缘体、高温炉具等;玻璃用于窗户、光纤、实验室器皿等;水泥用于混凝土、建筑结构等。
四、复合材料
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料组合而成的多相材料,旨在结合各组分的优点,克服单一材料的缺点。因此复合材料通常具备多种优势和特性:
• 更高性能:复合材料通常具有比单一材料更高的强度、刚度和耐久性。
• 材质轻盈:通过选择合适的基体和增强材料,复合材料可以实现轻量化设计。
• 多功能性:复合材料可以根据需要设计具有多种功能的材料,如导电、隔热、吸声等。
• 抗热耐温:复合材料通常具备抗热耐高温的特性。
• 可设计性:复合材料的性能可以通过调整组分的比例和结构来优化。
列举几个复合材料的例子,如:碳纤维增强塑料(CFRP)可用于航空航天、体育器材等方面。玻璃纤维增强塑料(GFRP)适用于汽车车身、船体等设备部位。而金属基复合材料,如铝基复合材料,则用于高性能发动机部件等。