材料分类

“过失”的发现
50年代初，美国康宁玻璃公司化学家斯托 凯受命开发新型含微量银的感光玻璃
斯托凯用自动控制温度的电炉中热处理试 验。斯托凯出去了炉内温度早已升到900℃，斯 托凯非常懊恼。
意外的事情发生了：玻璃没有熔融，还是直 挺挺地躺在炉内，但已面目全非，样子有点像不 透明的瓷砖，用钳子夹起来不是软绵绵的而是硬 邦邦的，敲打起来还会发出像金属那样的声音。
表0-2 中国日用瓷分类标准
类
别
性质及特征
吸水率 （%）
特征
陶器
粗陶器 普通陶器
>15 不时施釉，制作粗糙
≤12
断面颗粒较粗，气孔较大，表面施釉， 制作不够精细
细陶器
≤15
断面颗粒较细，气孔较小，施釉或不施 釉，制作不够精细
瓷器
炻瓷器 普通瓷器 细瓷器
≤3
透光性差，通常胎体较厚，呈色，断口 呈石状，制作精细
有色金属 — 除铁基合金之外的所有金属及其合金材料，铝及其合金、铜 及其合金用途最广
结构材料 — 以力学性能为主，如：强度、塑性、 刚度、弹性、硬度、韧性等，兼有一 定的物理、化学性能的材料
用量极大，当代社会 的主要材料
功能材料 — 以特殊的物理、化学性能为主，如：电、 磁、光、热、声、力、生物等功能和效 应及其转换特性的材料
金属元素彼此之间一般都能形成置换固溶体，但
溶解度视不同元素而异，有些能无限溶解，有的只能 有限溶解。
影响固溶体固溶度的因素： a 组员的晶体结构因素 b 原子尺寸因素 c 化学亲和力因素
➢ 间隙固溶体
又称插（嵌）入固溶体。若干溶质质点嵌入固相 溶剂质点的间隙中而构成的固溶体。通常，插入溶质 的半径与溶剂质点的半径相比特别小时易于形成。间 隙固溶体的形成常有助于晶体的硬度、熔点和强度的 提高。
用量小，但为高新技 术的关键
1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记 忆”效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到 一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来 的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状 记忆合金。
1963年,美国海军武器实验室W.J. Buehler等人 在近等原子比Ti-Ni合金中发现了形状记忆效应 以后, 形状记忆效应及形状记忆合金才引起人 们广泛的兴趣. 记忆合金的开发迄今不过20余年，但由于其在 各领域的特效应用，正广为世人所瞩目，被誉 为“神奇的功能材料”。此后,陆续在Cu-ZnAl, Cu-Al-Ni, Cu-Sn, Fe-Mn-Si, Ni-Mn-Ga等多 种合金中发现了形状记忆效应.
表0-1 普通陶瓷的分类方法
类别
主要种类
餐具
日用陶瓷

茶具、咖啡具 酒具 文具 陈设瓷（美术瓷）
建筑卫生陶瓷
建筑陶瓷 卫生瓷砖
电瓷 化工瓷
低压电瓷 高压电瓷 超高压电瓷 耐酸砖 耐酸容器 耐酸机械（部件） 化学瓷
用途 中餐具（盘、碗、碟、羹、壶、杯等） 西餐具（碗、盘、碟、糖缸、奶盅、壶、杯等） 茶盘、水果盘、点心盘、杯、壶、碟等 酒壶、酒杯、杯托、托盘 笔筒、笔洗、水盂、EP 色盒、笔架 花瓶、灯具、雕塑瓶、薄胎碗等 玻化砖（渗花或非渗花）、彩釉砖、锦砖（马赛克）、内墙砖、 外墙砖、腰线砖、广场砖、劈裂砖、园林陶瓷等 洗面器、大便器、小便器、洗涤器、水箱、水槽、存水弯、 肥皂盒、手纸盒、淋浴盒 用于 1kV 以下的电瓷 用于 1kV 以上的电瓷、如普通高压瓷、铝质高强度瓷 用于 500kV 以上的电瓷 耐酸砖、耐酸耐温砖 储酸缸、酸洗槽、电解槽、耐酸塔等 耐酸离心泵、风机、球磨机等 瓷坩埚、蒸发皿、研钵、漏斗、过滤板、燃烧舟等
传统的无机非金属材料主 要是指由SiO2及其硅酸盐化合物 为主要成分制成的材料，包括陶 瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。 此外，搪瓷、磨料、铸石（辉绿 岩、玄武岩等）、碳素材料、非 金属矿（石棉、云母、大理石等） 也属于传统的无机非金属材料。
先进（或新型）无机非金属材料是用氧化物、 氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各 种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料。 主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机 涂层、无机纤维等。
人造卫星上庞大的天线可以用记忆合金制作。 发射人造卫星之前，将抛物面天线折叠起来装 进卫星体内，火箭升空把人造卫星送到预定轨 道后，只需加温，折叠的卫星天线因具有“记 忆”功能而自然展开，恢复抛物面形状。
记忆合金在临床医疗领域内有着广泛的应用，例如 人造骨骼、伤骨固定加压器、牙科正畸器、各类腔 内支架、栓塞器、心脏修补器、血栓过滤器、介入 导丝和手术缝合线等等，记忆合金在现代医疗中正 扮演着不可替代的角色。
合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属 元素熔合在一起形成的具有金属特性的新物质。合金的性质与组 成合金的各个相的性质有关，同时也与这些相在合金中的数量、 形状及分布有关。
金属的晶体结构
面心立方结构
Face-centred cubic lattice (fcc)
常见金属的 晶体结构
≤1
有一定透光性，断而呈石状或贝壳状， 制作精细
≤0.5
透光性好，断面细腻，呈贝壳状，制作 精细
传统的无机非金属材料 之二：玻璃
玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其形成 网络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻 璃等，其网络形成剂分为SiO2、B2O3和P2O5。习惯上玻璃态 材料可分为普通玻璃和特种玻璃两大类。
根据用途不同，特种玻璃分为防辐射玻璃、激光玻璃、 生物玻璃、多孔玻璃、非线性光学玻璃和光纤玻璃等。
例：微晶玻璃 (CRYSTOE and NEOPARIES)
又称微晶玉石或陶瓷玻璃。 它具有玻璃和陶瓷的双重特性， 普通玻璃内部的原子排列是没有规则的，这也
是玻璃易碎的原因之一。而微晶玻璃象陶瓷一 样，由晶体组成，也就是说，它的原子排列是 有规律的。 所以，微晶玻璃比陶瓷的亮度高，比玻璃韧性 强。
1.金属材料
金属材料是由化学元素周期 表中的金属元素组成的材料。可 分为由一种金属元素构成的单质 （纯金属）；由两种或两种以上 的金属元素或金属与非金属元素 构成的合金。合金又可分为固溶 体和金属间化合物。
在103种元素中，除He,Ne,Ar等6种惰性元素和C、Si、N等16 种非金属元素外，其余81种为金属元素。除Hg之外，单质金属在 常温下呈现固体形态，外观不透明，具有特殊的金属光泽及良好 的导电性和导热性。在力学性质方面，具有较高的强度、刚度、 延展性及耐冲击性。
无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸 盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼 化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备 而成的材料。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的 总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义。无机非金属材 料种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。 一般将其分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机 非金属材料两大类。
特种陶瓷是用于各种现代工业及尖端科学技术领域 的陶瓷制品。包括结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷 主要用于耐磨损、高强度、耐高温、耐热冲击、硬 质、高刚性、低膨胀、隔热等场所。功能陶瓷主要 包括电磁功能、光学功能、生物功能、核功能及其 它功能的陶瓷材料。
常见高温结构陶瓷包括：高熔点氧化物、碳化物、 硼化物、氮化物、硅化物。
金属间化合物可分为三类，即由负电性决定的原子 价化合物（简称价化合物）、由电子浓度决定的电子 化合物（亦称为电子相）以及由原子尺寸决定的尺寸 因素化合物。除了这三类由单一元素决定的典型金属 间化合物外，还有许多金属间化合物，其结构由两个 或多个因素决定，称之为复杂化合物。
黑色金属 — 铁及铁基合金材料，即钢铁材料，包括钢（90%）和铸铁
这块玻璃究竟发生了什么变化？
在显微镜下观察到： 这块玻璃中析出了大量的微小 晶体，这就是后来大名鼎鼎的微 晶玻璃。
性能由此改变：
当玻璃中充满微小晶体后（每立方厘米约十亿晶粒） ，玻璃固有的性质发生变化，即由非晶形变为具有金 属内部晶体结构的玻璃结晶材料。
它近似于硬化后不脆不碎的凝胶，是一种新的透明或 不透明的无机材料，即所谓的结晶玻璃、玻璃陶瓷或 高温陶瓷。
普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的玻璃。 普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃和 玻璃纤维等。
特种玻璃（亦称为新型玻璃）是指采用精制、高纯或新 型原料，通过新工艺在特殊条件下或严格控制形成过程制成的 一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。
特种玻璃包括SiO2含量在85%以上或55%以下的硅酸盐 玻璃、非硅酸盐氧化物玻璃（硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐、碲酸 盐、铝酸盐及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、非氧化物玻璃（卤化 物、氮化物、硫化物、硫卤化物、金属玻璃等）以及光学纤维 等。
c 短程有序分布：当异类原子对（AB）的结 合较同类原子对（AA或BB）时，溶质原子在溶 剂结构中在短程内趋向于ABAB…AB的分布，称 短程有序分布
（a） 随机置换固溶
体
（b） 有序置换固溶体
（c）
（d）
随机间隙固溶体 固溶体中的溶质丛聚
图0.1 不同类型固溶体中原子排列示意图
合金中的金属间化合物：
体心立方结构
Body-centred cubic lattice(bcc)
密排立方结构
Hexagonal close-packed lattice(hcp)
合金又分为固溶体和金属间化合物。 ➢ 固溶体是以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶 入其他组元原子（溶质原子）所形成的均匀混合的固 态溶体，它保持着溶剂的晶体结构类型。它包括置换 固溶体以及间隙固溶体两大类。 ➢ 金属元素与其它金属元素或非金属元素之间形成 合金时，除固溶体外，还可能形成金属间化合物。
按物理效应分为：压电材料、热电材料、铁电材料、非线 性光学材料、磁光材料、电光材料、声光材料、激光材料 等。
按用途分为：电子材料、电工材料、光学材料、感光材料、 耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建筑材料、结构材料、 包装材料等。
1.1 按化学组成（或基本组成）分类：
1. 金属材料 2. 无机非金属材料 3. 高分子材料（聚合物） 4. 复合材料
传统的无机非金属材料 之一：陶瓷
陶瓷按其概念和用途不同， 可分为两大类，即普通陶瓷和特 种陶瓷。
根据陶瓷坯体结构及其基本 物理性能的差异，陶瓷制品可分 为陶器和瓷器。
普通陶瓷即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其它 天然矿物原料经过粉碎混练、成型、煅烧等过程而制 成的各种制品。包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、 化工陶瓷、电瓷以及其它工业用陶瓷。 见表0-1。
影响因素： • 溶质原子大小 • 溶剂晶体结构
中间隙的形态 和大小 • 固溶温度
固溶体的微观不均匀性
a 无序分布：溶质原子在溶剂结构中的位置为 随机的，呈统计平均分布，这种分布称为无序分 布。
b 偏聚分布：当固溶体中同类原子对（AA或 BB）的结合较异类原子对（AB）强时，同类原 子倾向于偏聚在一起出现成群分布
材料的分类
1 材料分类
1.1 材料按化学组成（或基本组成）分类 1.2 根据材料的性能分类 1.3 材料按服役的领域来分类 1.4 材料按结晶状态分类 1.5 材料按材料的尺寸分类
按物理性质可分为：导电材料、绝缘材料、半导体材料、 磁性材料、透光材料、高强度材料、高温材料、超硬材料 等。
血管支架
作为一类新兴的功能材料，记忆合金的很多新用途正 不断被开发，例如用记忆合金制作的眼镜架，如果不 小心被碰弯曲了，只要将其放在热水中加热，就可以 恢复原状。不久的将来，汽车的外壳也可以用记忆合 金制作。如果不小心碰瘪了，只要用电吹风加加温就 可恢复原状，既省钱又省力，实在方便。
2. 无机非金属材料
功能陶瓷包括:装置瓷（即电绝缘瓷）、电容器陶 瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷（又称为铁氧体）、导电陶瓷、 超导陶瓷、半导体陶瓷（又称为敏感陶瓷）、热学功能 陶瓷（热释电陶瓷、导热陶瓷、低膨胀陶瓷、红外辐射 陶瓷等）、化学功能陶瓷（多孔陶瓷载体等）、生物功 能陶瓷等。
根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差 异，陶瓷制品可分为陶器和瓷器，见表0-2 。 陶器包括粗陶器、普陶器和细陶器。陶器的坯 体结构较疏松，致密度较低，有一定吸水率， 断口粗糙无光，没有半透明性，断面成面状或 贝壳状。