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第一单元

•材料的类型

材料可以按多种方法分类。科学家常根据状态将材料分为：固体、液体或气体。他们也把材料分为有机材料

(曾经有生命的)和无机材料(从未有生命的)。

就工业效用而言，材料被分为工程材料和非工程材料。那些用于加工制造并成为产品组成部分的就是工程材

料。

非工程材料则是化学品、燃料、润滑剂以及其它用于加工制造过程但不成为产品组成部分的材料。

工程材料还能进一步细分为：①金属材料②陶瓷材料③复合材料④聚合材料，等等。

•金属和金属合金

金属就是通常具有良好导电性和导热性的元素。许多金属具有高强度、高硬度以及良好的延展性。某些金属

能被磁化，例如铁、钴和镍。在极低的温度下，某些金属和金属化合物能转变成超导体。

合金与纯金属的区别是什么？纯金属是在元素周期表中占据特定位置的元素。例如电线中的铜和制造烹饪箔

及饮料罐的铝。合金包含不止一种金属元素。合金的性质能通过改变其中存在的元素而改变。金属合金的例子有：

不锈钢是一种铁、镍、铬的合金，以及金饰品通常含有金镍合金。

为什么要使用金属和合金？许多金属和合金具有高密度，因此被用在需要较高质量体积比的场合。某些金属

合金，例如铝基合金，其密度低，可用于航空航天以节约燃料。许多合金还具有高断裂韧性，这意味着它们能经

得起冲击并且是耐用的。

金属有哪些重要特性？

密度定义为材料的质量与其体积之比。大多数金属密度相对较高，尤其是和聚合物相比较而言。

高密度材料通常由较大原子序数原子构成，例如金和铅。然而，诸如铝和镁之类的一些金属则具有低密度，并被

用于既需要金属特性又要求重量轻的场合。

断裂韧性可以描述为材料防止断裂特别是出现缺陷时不断裂的能力。金属一般能在有缺口和凹痕的情况下不

显著削弱，并且能抵抗冲击。橄榄球运动员据此相信他的面罩不会裂成碎片。

塑性变形就是在断裂前弯曲或变形的能力。作为工程师，设计时通常要使材料在正常条件下不变形。没有人

愿意一阵强烈的西风过后自己的汽车向东倾斜。然而，有时我们也能利用塑性变形。汽车上压皱的区域在它们断

裂前通过经历塑性变形来吸收能量。

金属的原子连结对它们的特性也有影响。在金属内部，原子的外层阶电子由所有原子共享并能到处自由移动。

由于电子能导热和导电，所以用金属可以制造好的烹饪锅和电线。因为这些阶电子吸收到达金属的光子，所以透

过金属不可能看得见。没有光子能通过金属。

合金是由一种以上金属组成的混合物。加一些其它金属能影响密度、强度、断裂韧性、塑性变形、导电性以

及环境侵蚀。例如，往铝里加少量铁可使其更强。同样，在钢里加一些铬能减缓它的生锈过程，但也将使它更脆。

•陶瓷和玻璃

陶瓷通常被概括地定义为无机的非金属材料。照此定义，陶瓷材料也应包括玻璃；然而许多材料科学家添加

了“陶瓷”必须同时是晶体物组成的约定。

玻璃是没有晶体状结构的无机非金属材料。这种材料被称为非结晶质材料。

陶瓷和玻璃的特性

高熔点、低密度、高强度、高刚度、高硬度、高耐磨性和抗腐蚀性是陶瓷和玻璃的一些有用特性。许多陶瓷

都是电和热的良绝缘体。某些陶瓷还具有一些特殊性能：有些是磁性材料，有些是压电材料，还有些特殊陶瓷在

极低温度下是超导体。陶瓷和玻璃都有一个主要的缺点：它们容易破碎。

陶瓷一般不是由熔化形成的。因为大多数陶瓷在从液态冷却时将会完全破碎(即形成粉末)。因此，所有用于

玻璃生产的简单有效的—诸如浇铸和吹制这些涉及熔化的技术都不能用于由晶体物组成的陶瓷的生产。作为替

代，一般采用“烧结”或“焙烧”工艺。在烧结过程中，陶瓷粉末先挤压成型然后加热到略低于熔点温度。在这

样的温度下，粉末内部起反应去除孔隙并得到十分致密的物品。

光导纤维有三层：核心由高折射指数高纯光传输玻璃制成，中间层为低折射指数玻璃，是保护核心玻璃表面

不被擦伤和完整性不被破坏的所谓覆层，外层是聚合物护套，用于保护光导纤维不受损。为了使核心玻璃有比覆

层大的折射指数，在其中掺入微小的、可控数量的能减缓光速而不会吸收光线的杂质或搀杂剂。由于核心玻璃的

折射指数比覆层大，只要在全内反射过程中光线照射核心/覆层分界面的角度比临界角大，在核心玻璃中传送的

光线将仍保留在核心玻璃中。全内反射现象与核心玻璃的高纯度一样，使光线几乎无强度损耗传递长距离成为可

能。

•复合材料

复合材料由两种或更多材料构成。例子有聚合物/陶瓷和金属/陶瓷复合材料。之所以使用复合材料是因为其

全面性能优于组成部分单独的