.前言

我们都知道材料的四要素包括材料的结构（Structure），特性（Properties），加工与制备(Processing)以及效能(Performance)。那么，组成我们世界的材料千千万万，该如何分类呢？它们之间有什么差异？为什么会造成这些差异？看了下面的内容，相信你会有一个初步的了解。

材料学四要素组成的四面体

.材料分类及特性

材料在万千世界中无处不在，有些书上将材料分为结构材料和功能材料，然而现代的工程需求是结构功能一体化，因此笔者还是习惯按照原子结构与化学组成，将材料分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料以及复合材料，如下图所示：

材料分类图

上述的这些材料，由于组成的元素种类、原子的排列方式以及制备工艺的不同，它们在导电性、力学性能上都有很大的差异，如下所示：

导电性：金属复合材料无机非金属材料≥高分子材料

四类材料导电性比较

拉伸强度：金属＞无机非金属材料≈复合材料＞高分子复合材料

四类材料拉伸强度比较

抗弯折强度：金属＞复合材料＞无机非金属材料≈高分子材料

四类材料的抗弯折强度

需要指明的是，除了上述四种材料的先进材料(AdvancedMaterials)，属于这四类材料的比较特殊的一种，故而挑出来单独讲解。

.金属材料

金属材料包括纯金属材料、金属之间的合金，当然比如钢这种与非金属元素形成的合金也属于金属材料。需要注意的是合金属于金属材料，不是复合材料！！！

金属材料中的原子排列非常密集，因此大部分的金属的硬度很大，也就是说很难将外界的物体压入到金属内部，同时也导致了金属材料在一般条件下不透明。然而，金属内部的原子都是以金属键连接，核外电子几乎不受束缚，称为“离域电子”。这种微观结构，赋予了金属极好的延展性、导电性、导热性。部分金属除了上述性能，还具有良好的磁性能，比如我们熟知的铁钴镍及其合金。

金属键示意图

.无机非金属材料

生活中常见的陶瓷、混凝土、沥青、玻璃都属于无机非金属材料，它不仅仅包括金属的氧化物、氮化物、氢化物、硫化物，也包括金属与酸根形成的盐类，而先进材料中的石墨烯、气凝胶、碳纤维也属于无机非金属材料。

对于无机非金属材料而言，这类材料一般都具有很强的刚度和硬度，大部分的无机非金属材料原子之间以离子键结合，离子键的键能很强，因此这类材料的硬度和刚度都可媲美金属，然而与金属不同的是，离子键中的电子并不像“离域电子”那样自由，因此无机非金属材料很脆，断裂伸长率很低，一般的无机非金属材料都是良好的电和热的绝缘体。而碳的一些同素异形体如石墨、碳纳米管、石墨烯等等，由于大π键的存在，使得这类无机非金属材料具有金属的特性。

典型离子晶体NaCl

.高分子材料

高分子材料主要包括塑料、合成橡胶以及纤维。我们熟知的树脂是塑料的合成原料，比如对于聚乙烯(PE)，材料学上称其为聚乙烯树脂，日常生活中我们叫聚乙烯塑料。

构成高分子的主要元素是碳、氢、氧、氮，常见的聚丙烯它的主链上就是一串长长的碳主链，当然主链上还可以有硅、氧等杂元素。此外硅元素也可以形成高分子，比如我们熟知的硅油，有机硅树脂等等。与金属材料和非金属材料不同，高分子的相对分子质量可达几十万，材料中分子间作用力大小(含氢键)对高分子的性质比化学键要强得多。除了少量的结晶高分子，一般地高分子是没有固定熔点的。由于结构的复杂性，高分子的韧性比较强，但是总体的硬度和强度要弱于金属和无机非金属材料。一般而言，高分子是不导电的，但是具有特殊结构的聚吲哚、聚苯胺具有一定的导电性能。

线性、支线、交联、网状高分子

.复合材料

复合材料是由两种或两种以上的材料经过复合工艺而制备的多相材料，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料由连续相的基体和被基体包容的相增强体组成。

复合材料分为天然复合材料与人造复合材料，我们见到的树皮就是天然的复合材料，纤维均匀地浸润在木质素里，使得树皮具有一定的机械强度和韧性。这里我们只讨论人造复合材料。复合材料和上述的金属、无机非金属以及高分子材料具有一个显著地差别：可设计性，比如对于某个板材，我们发现材料在横向的拉力比纵向要强得多，那么此时我们可以在横向添加纤维增强相，提高横向的抗拉强度。日常生活中，我们见到的风电叶片、自行车头盔、滑雪板都是由复合材料构成，比较典型的复合材料种类有碳纤维增强复合材料，玻璃纤维增强复合材料，凯夫拉纤维增强复合材料等等。

复合材料构成

.先进材料

先进材料主要是利用一些先进的技术制备的，具有复杂功能的材料，它们的组成元素可能会与传统的金属、无机非金属以及高分子有重叠。先进材料包括半导体、生物材料，以及我们未来的材料（即智能材料和纳米工程材料）。

以纳米材料为例，纳米材料的结构尺度在1-nm，当一些传统材料到达这个尺度后，它们往往会展示一些奇异的物理化学特性。比如纳米晶铁和传统的铁，纳米晶的铁具有更高的硬度，因为纳米晶内含有大量的晶界，可以吸收外界的能量。纳米晶的铁具有更好的磁性能，因为纳米晶铁内含有更多的磁畴。纳米晶铁比传统的铁抗氧化性差，因为纳米晶铁具有大的比表面积。

典型纳米晶铁材料——羰基铁粉

.展望

材料的更新离不开人类需求的发展，以当今社会上急需解决的能源问题为例，从载具方面考虑，需要设计低密度高强度的结构材料。对于产能材料，需要降低当前新能源的材料成本，提高能源的转换效率，比如氢燃料电池需要设计催化效率更高的催化剂，太阳能电池需要设计高转化率的光电功能材料。在制造这些材料的同时，我们也需要考虑它们是否会造成二次污染，这就需要对材料的合成与加工方式进行改进。

新能源材料

每一次技术的革新，都离不开材料的革命，材料已经成为我们与生活息息相关的一环，材料的革命不仅仅单方面的，从构成材料的四要素来看，基础学科的发展是材料革命的根本动力。未来的材料发展趋势是：以人类的需求为导向，综合环保，经济等多方面因素，实现功能多样化。

材料发展史

转载请注明:http://www.aideyishus.com/lktp/5016.html