复合材料

金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以金属为基的合金。工业上把金属及其合金分为黑色金属材料和有色金属材料两大部分。
（一）黑色金属
黑色金属材料一般是指铁和以铁为基的合金，即钢铁材料。
钢铁材料是工业中应用最广、用量最多的金属材料。含碳量小于2.11% （重量）的 铁合金称为钢；而含碳量大于2.11% （重量）的铁合金称为生铁。
钢和铸铁中除了含铁、 碳以外，还含有一些其他元素，其中一类是杂质元素，如硫、磷、氧、氮等；另一类是根 据使用性能和工艺性能的需要，在其生产过程中适量添加的合金元素，常见有铬、镍、锰和钛等，铁碳合金中加入这些合金元素就成为合金钢或合金铸铁。
1．钢的分类和用途
钢中主要化学元素为铁，另外还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷、氧和氮等。钢中碳的含量对钢的性质有决定性影响，含碳量低的钢材强度较低，但塑性大，延伸率和冲击韧性高，质地较软，易于冷加工、切削和焊接；含碳量高的钢材强度高（当含碳量超过1．00%时，钢材强度开始下降）、塑性小、硬度大、脆性大和不易加工。
硫、磷为钢材中有害元素，含量较多就会严重影响钢材的塑性和韧性，磷使钢材显著产生冷脆性，硫则使钢材产生热脆性。硅、锰等为有益元素，它们能使钢材强度、硬度提高，而塑性、韧性不显著降低。
钢材的力学性能取决于钢材的成分和金相组织。钢材的成分一定时，其金相组织主要取决于钢材的热处理，如退火、正火、淬火加回火等，其中淬火加回火的影响最大。
2．铸铁的分类和用途
铸铁是含碳量大于2．11%的铁碳合金。
铸铁是应用最广泛的铸造材料。它具有生产设备和工艺简单、价格便宜等优点。大部分机 械设备的箱体、壳体、机座、支架和受力不大的零件多用铸铁制造。某些承受冲击不大的 重要零件，如小型柴油机的曲轴，多用球墨铸铁制造。其原因是铸铁切削性能和铸造性能 优良，有利于节约材料，减少机械加工工时，且有必要的强度和某些优良性能，如高的耐磨性、吸震性和低的缺口敏感性等。
2．铸铁的分类和用途
铸铁与钢相比，其成分特点是碳、硅含量高，杂质含量也较高。但杂质在钢和铸铁中的作用完全不同，
磷在耐磨铸铁中是提高其耐磨性的主要合金元素，唯一有害的元素是硫。
铸铁的韧性和塑性主要决定于石墨的数量、形状、大小和分布，其中石墨形状的影响最大。
（1）铸铁的分类。
按石墨的形状特征，灰口铸铁可分为普通灰铸铁（石墨呈片状）、蠕墨铸铁（石墨呈蠕虫状）、可锻铸铁（石墨呈团絮状）和球墨铸铁（石墨呈球状）四大类。
（2）工程中常用铸铁的性能特点
1）灰铸铁。灰铸铁包括普通灰铸铁、奥氏体灰铸铁、冷硬灰铸铁、耐磨灰铸铁、耐热灰铸铁和耐 蚀灰铸铁六种，灰铸铁价格便宜，应用非常广泛。在各类铸铁的总产量中，灰铸铁占 80%以上。
2）球墨铸铁。综合机械性能接近于钢。球墨铸铁的抗拉强度远远超过灰铸铁，而与钢相当。因此对于承受静载的零件，使用球墨铸铁比铸钢还节省材料，重量更轻，并具有较好的耐疲劳强度。球墨铸铁的扭转疲劳强度甚至超过45钢。在实际工程中常用球墨铸铁来代替钢制造某些重要零件，如曲轴、连杆和凸轮轴等。也可用于高层建筑室外进入室内给水的总管或室内总干管。
3）蠕墨铸铁。强度接近于球墨铸铁，并具有一定的韧性和较高的耐磨性；同时又有灰铸铁良好的铸造性能和导热性。蠕墨铸铁在生产中主要用于生产汽缸盖、汽缸套、钢锭模和液压阀等铸件。是一种新的铸铁材料，发展前景乐观。
4） 可锻铸铁具有较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替破钢。这种铸铁有黑心可 锻铸铁、白心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁三种类型可锻铸铁常用来制造形状复杂、承受冲击和 振动荷载的零件，如管接头和低压阀门等。与球墨铸铁相比，可锻铸铁具有成本低、质量稳定、处理工艺简单等优点。
（二）有色金属材料
有色金属是指黑色金属以外的所有金属及其合金。不同有色金属具有不同的优良性能，如钛合金的耐蚀性优于不锈钢；铜和铝的导电性明显高于铁合金；镍铬合金的比电阻较高，同时还有高的抗氧化性能和塑性，以及为零的电阻温度系数；铅具有高的抗X射 线和γ射线穿透能力。
2．工程中常用有色金属的性能和特点
（1）铝及铝合金
铝及铝合金在采用各种强化手段后可以达到与普通低合金钢相近的强度，而且其比强度要比普通钢高得多。铝及铝合金在电气工程、一般机械和轻工业中都 有广泛的用途。
铝合金是在铝中加入合金元素获得，具有较高强度，同时保持良好的加工性能。许多 铝合金不仅可通过冷变形提高强度，而且可用热处理来大幅度地改善性能。
根据成分及工艺特点，铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两类。变形铝合金塑性较 好，适于变形加工；铸造铝合金流动性较好，适于铸造生产。
铸造铝合金有四种。Al-Mg铸造铝合金强度高，密度小，有良好的耐蚀性，但铸造性能不佳，耐热性不良。多用于制造承受冲击荷载，以及在腐蚀性介质中工作的外形不太复杂的零件，如氨用泵体等。
（2）铜及铜合金
（3）镍及镍合金
镍及镍合金是用于化学、石油、有色金属冶炼、高温、高压、高浓度或混有不纯物等各种苛刻腐蚀环境的比较理想的金属材料。
（4）钛及钛合金
钛在高温下化学活性极高，在540℃以下使用；钛具有良好的低温性能，可做低温材料；常温下钛具有极好的抗蚀性能，在大气、海水、硝酸和碱溶液等介质中十分稳定。但在任何浓度的氢氟酸中将迅速溶解。
（5）铅及铅合金
铅在大气、淡水、海水中很稳定，铅对硫酸、磷酸、亚硫酸、铬酸和氢氟酸等则有良好的耐蚀性。铅不耐硝酸的腐蚀，在盐酸中也不稳定。
（6）镁及镁合金
比强度和比刚度可以与合金结构钢相媲美，镁合金能承受较大的冲击、振动荷载，并有良好的机械加工性能和抛光性能。其缺点是耐蚀性较差、缺口敏感性大及熔铸工艺复杂。

非金属材料包括无机非金属材料和高分子材料。高分子材料包括橡胶、塑料和合成纤维等。
（一）无机非金属材料
1．耐火材料
常用的耐火材料有耐火砌体材料、耐火水泥及耐火混凝土。
碳质制品的热膨胀系数很低，导热性高，耐热震性能好，高温强度 高。在高温下长期使用也不软化，不受任何酸碱的侵蚀，有良好的抗盐性能，也不受金属 和熔渣的润湿，质轻，是优质的耐高温材料。
2．耐热保温和绝热材料
耐热保温材料。又称耐火隔热材料。常用的隔热材料有硅藻土、蛭石、玻璃纤维（又称矿渣棉）、石棉，以及它们的制品如板、管、砖等。
3．耐蚀（酸）非金属材料
常用的非金属耐蚀材料有铸石、石墨、耐酸水泥、天然耐酸石材和玻璃等。
（1）铸石具有极优良的耐磨性、耐化学腐蚀性、绝缘性及较高的抗压性能。其耐磨性能比钢铁高十几倍至几十倍。耐化学腐蚀性高于不锈钢、橡胶、塑性材料及其他有色金属十倍到几十倍；但脆性大、承受冲击荷载的能力低。在要求耐蚀、耐磨或高温条件下，当不受冲击震动时，铸石是钢铁（包括不锈钢）的理想代用材料。
（2）石墨按照来源不同可分为天然石墨和人造石墨。防腐材料中应用的主要是 人造石墨。人造石墨经过不透性处理，即通过浸渍、压型浇注等方法制得的新型结构材料 称为不透性石墨。它不仅具有高度的化学稳定性，还具有极高的导热性能。
（3）玻璃
按形成玻璃的氧化物可分为硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、硼酸盐玻璃和铝酸 盐玻璃等，其中硅酸盐玻璃是应用最为广泛的玻璃品种。硅酸盐玻璃的化学稳定性高，抗 酸能力强（但不耐氢氟酸的腐蚀），组织紧密而不透水，若长期在某些介质作用下也会受 到侵蚀。玻璃长时期在温水或水汽作用下能使硅酸盐水解，玻璃表面分离出二氧化硅凝胶 和苛性碱，使玻璃混浊变色、表面粗糙。硅酸盐玻璃具有较好的光泽、透明度、化学稳定 性和热稳定性，机械强度高，硬度大和电绝缘性强，一般用于制造化学仪器、高级玻璃制品、无碱玻璃纤维和绝缘材料等。
（4）天然耐蚀石料。
（5）水玻璃耐酸水泥。水玻璃耐酸水泥具有能抵抗大多数元机酸和有机酸腐蚀的能力，但不耐碱及氢氟酸。
（二）高分子材料
1．高分子材料的基本性能及特点
质轻、比强度高、有良好的韧性、减摩和耐磨性好、电绝缘性好、耐蚀性好、导热系数小、易老化、易燃、耐热性、刚度小。
2．工程中常用高分子材料
（1）塑料
1）塑料的组成。常用的塑料制品都是以合成树脂为基本材料，再按一定比例加入填料、增塑剂、着色剂和稳定剂等材料，经混炼、塑化，并在一定压力和温度下制成的。 塑料的性质主要取决于树脂的性质。
①树脂在塑料中主要起胶结作用。塑料的性质主要取决于树脂的性质。按受热时状态不同，可分为热塑性树脂和热固性树脂。
合成树脂分子结构分为直线型、支链型和体型（或称为网状型）。聚苯乙烯属于直线型；低密度聚乙烯属于支链型；酚醛树脂、不饱和聚酯树脂和环氧树脂属于网状结构。
②填料。填料又称填充剂，其作用是提高塑料的强度和刚度，减少塑料在常温下的蠕变（又称冷流）现象及提高热稳定性，对降低塑料制品的成本、增加产量有显著的作用，并可提高塑料制品的耐磨性、导热性、导电性及阻燃性，改善加工性能。 
③ 增塑剂。提高塑料加工时的可塑性及流动性；改善塑料制品的柔韧性。 
增塑剂的作用是提高塑料加工时的可塑性及流动性，改善塑料制品的柔韧 性。常用的增塑剂为醋类和酣类等。
④着色剂。着色剂的种类按其在着色介质中的溶解性分为染料和颜料两大类。
2）工程中常用塑料制品
①热塑性塑料
a．低密度聚乙烯（LDPE）。又称高压聚乙烯。
具有质轻、吸湿性小、电绝缘性好、延伸性和透明性强、耐寒性好和化学稳定性强等特点，但其强度低、耐老化性能较差。低密度聚乙烯是可燃物，故在储存和运输中应严防火种和高温。
一般用作耐蚀材料、小荷载零件（齿轮、轴承）及电缆包皮等。
b．高密度聚乙烯（HDPE）。又称低压聚乙烯。
具有良好的耐热性和耐寒性，力学性能优于低密度聚乙烯，介电性能优良，但略低于低密度聚乙烯，耐磨性及化学稳定性良好，能耐多种酸、碱、盐类腐蚀，吸水性和水蒸汽渗透性很低，但耐老化性能较差，表面硬度高，尺寸稳定性好。
主要用于制作单口瓶、运输箱、储罐、电缆护套、压力管道等。
b．聚丙烯（PP）
具有质轻、不吸水，介电性、化学稳定性和耐热性良好（可在100°C以上使用。若无外力作用，温度达到150°C时不会发生变形），力学性能优良，但是耐光性能差，易老化，低温韧性和染色性能不好。
d．聚氯乙烯（PVC）
硬聚氯乙烯比软聚氯乙烯的密度小，抗拉强度好，有良好的耐水性、耐油性和耐化学药品侵蚀的性能。硬聚氯乙烯塑料板在常温下容易加工，又有良好的热成型性能，工业用途很广。
硬聚氯乙烯塑料常被用来制作化工、纺织等工业的废气排污排毒塔，以及常用于气体、液体输送管。
软聚氯乙烯塑料常制成薄膜，用于工业包装等，但不能用来包装食品。
e．聚四氟乙烯（PTFE，F-4）
聚四氟乙烯俗称塑料王，具有非常优良的耐高、低温性能，可在-180～260℃的范围内长期使用。几乎耐所有的化学药品，在侵蚀性极强的王水中煮沸也不起变化，摩擦系数极低。聚四氟乙烯不吸水、电性能优异，是目前介电常数和介电损耗最小的固体绝缘材料。缺点是强度低、冷流性强。
f．聚苯乙烯（PS）
聚苯乙烯是苯乙烯经本体或悬浮法聚合制得的聚合物。可采用 注射、挤出、吹塑和发泡等方法成型，能切削加工和胶接。聚苯乙烯制品具有极高的透明度，透光率可达90%以上，电绝缘性能好，刚性好及耐化学腐蚀。普通聚苯乙烯的不足 之处在于性脆，冲击强度低，易出现应力开裂，耐热性差及不耐沸水等。
g．工程塑料（ABS）
普通ABS是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物。综合机械性能良好。尺寸稳定，容易电镀和易于成型，耐热和耐蚀性较好，在-40℃的低温下仍有一定的机械强度。
丙烯腈的增加可提高塑料的耐热、耐蚀性和表面硬度；丁二烯可提高弹性和韧性；苯乙烯则可改善电性能和成型能力。 
ABS可制造齿轮、泵叶轮、轴承、管道、储槽内衬、电机外壳、仪表壳、仪表盘、蓄电池槽和水箱外壳等。
h．聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）
俗称亚克力或有机玻璃，其透明度比无机玻璃还高，透光率达92%；密度只有后者的一半，机械性能比普通玻璃高得多（与温度有关）。能抵抗稀酸、稀碱、润滑油和碳氢燃料的作用，在自然条件下老化发展缓慢。缺点是表面硬度不高，易擦伤。由于导热性差和热膨胀系数大，比较脆。此外，易溶于有机溶液中。