引言：工程材料主要是指用于機(jī)械、車輛、船舶、建筑、化工、能源、儀器儀表、航空航天等工程領(lǐng)域中的材料，用來(lái)制造工程構(gòu)件和機(jī)械零件，此外還包括一些用于制造工具的材料和具有特殊性能（如耐蝕、耐高溫等）的材料。工程材料有很多分類方法，其中比較科學(xué)的分類方法是根據(jù)材料的結(jié)合鍵進(jìn)行分類。各種材料由于“鍵”不同，從而具有不同的個(gè)性展示，下文將對(duì)工程材料的鍵與應(yīng)用特性進(jìn)行整理。更好的了解不同材料的屬性，這對(duì)于更加準(zhǔn)確的利用材料很重要哦，下文一起來(lái)探討吧。

一、材料的4種化學(xué)鍵及特點(diǎn)

材料化學(xué)鍵是分子內(nèi)或晶體內(nèi)相鄰兩個(gè)或多個(gè)原子（或離子）間強(qiáng)烈作用力的統(tǒng)稱。一般可以可分為四種：離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵和分子鍵。

圖1.各種化學(xué)鍵及其存在形式

二、四大類工程材料及其特點(diǎn)

根據(jù)材料的性能特征，可將工程材料分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。結(jié)構(gòu)材料是指以力學(xué)性能為主的工程材料的統(tǒng)稱，而功能材料則是以物理性能為主的工程材料的統(tǒng)稱。PS，通常功能材料不在工程材料中被討論，而是在電子電工材料中被提及。根據(jù)材料的結(jié)合鍵的特性，我們通常會(huì)將工程材料分為金屬材料、高分子材料、陶瓷材料及復(fù)合材料這個(gè)四大類材料。 

 圖2.工程材料分類

圖3.四大類材料特點(diǎn)總結(jié)

1、金屬材料：

金屬材料是用量最大的工程材料，包括金屬和以金屬為基的合金，最簡(jiǎn)單的金屬材料是純金屬。工程應(yīng)用的金屬材料，原子間的結(jié)合鍵基本上為金屬鍵，皆為金屬晶體材料。工業(yè)上把金屬和其合金分為兩大部分，其一為黑色金屬，鐵和以鐵為基的合金（鋼、鑄鐵和鐵合金）占整個(gè)結(jié)構(gòu)材料和工具材料的90%以上，工程性能優(yōu)越、價(jià)格便宜、是極為重要的工程金屬材料，其二為有色金屬金屬，黑色金屬以外的所有金屬及其合金。

圖4.鐵及鐵合金稱為黑色金屬，即鋼鐵材料

2、陶瓷材料：

陶瓷是一種或多種金屬元素同一種非金屬元素（通常為氧）的化合物。非金屬元素原子同金屬原子化合時(shí)形成很強(qiáng)的離子鍵，同時(shí)也存在有一定成分的共價(jià)鍵，但離子鍵是主要的。例如MgO晶體中，離子鍵占84%，共價(jià)鍵占16%。也有一些特殊陶瓷以共價(jià)鍵為主。

圖5

陶瓷的硬度很高，但通常脆性很大。陶瓷材料屬于無(wú)機(jī)非金屬材料，主要為金屬氧化物和金屬非氧化合物。由于大部分無(wú)機(jī)非金屬材料含有硅和其它元素的化合物，所以又叫做硅酸鹽材料。它一般包括無(wú)機(jī)玻璃（硅酸鹽玻璃）、玻璃陶瓷（或稱微晶玻璃）和陶瓷等三類。

按照成分和用途，陶瓷材料可大致分為：①普通陶瓷（或稱傳統(tǒng)陶瓷），主要為硅、鋁氧化物的硅酸鹽材料，通常用于建筑衛(wèi)生陶瓷及日用陶瓷范疇（備注：這類陶瓷通常不被列入工程材料范圍）；②先進(jìn)陶瓷（或稱特種陶瓷、新型陶瓷、精細(xì)陶瓷）：主要為高熔點(diǎn)的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等的燒結(jié)材料（本文討論內(nèi)容主要在于結(jié)構(gòu)陶瓷范疇），以人工合成材料為原料的陶瓷，常用作工程上的耐熱、耐蝕、耐磨零件；③金屬陶瓷：主要由碳化鈦或氮化鈦和碳化鈮、添加鈷、鎳或鉬等金屬組成的復(fù)合材料，它具有優(yōu)異的耐磨性，不易與金屬反應(yīng)，被廣泛用于電子產(chǎn)品制造中的切削工具、耐磨工具和滑動(dòng)零部件。

3、有機(jī)高分子材料（聚合物）：

高分子材料在機(jī)械、電氣、紡織、汽車、飛機(jī)、輪船等制造工業(yè)和化學(xué)、交通運(yùn)輸、航空航天等工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。工程材料中使用的高分子材料為有機(jī)合成材料，亦稱聚合物。它具有較高的強(qiáng)度，良好的塑性，較強(qiáng)的耐腐蝕性能，很好的絕緣性，以及重量輕等優(yōu)良性能，是工程上是發(fā)展最快的一類結(jié)構(gòu)材料。

圖6.PEEK工程塑料件

高分子材料由大量相對(duì)分子質(zhì)量特別大的大分子化合物組成，每個(gè)大分子皆包含有大量結(jié)構(gòu)相同、相互連接的鏈節(jié)。有機(jī)物主要由碳元素（通常還有氫）為其結(jié)構(gòu)組成，在大多數(shù)情況下它構(gòu)成大分子的主鏈。大分子內(nèi)的原子之間由很強(qiáng)的共價(jià)鍵結(jié)合，而大分子與大分子之間的結(jié)合力為較弱的范特瓦爾斯力（或稱范德華力）。工程上通常根據(jù)機(jī)械性能和使用狀態(tài)將其分為四大類：塑料，合成纖維，橡膠及膠粘劑。

①塑料。塑料分為通用塑料及工程塑料兩大類，通用塑料指產(chǎn)量大、用途廣、成型性好、價(jià)格較低的常用塑料。如聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。而工程塑料一般指具有良好的物理機(jī)械強(qiáng)度，在高、低溫度下仍能保持良好的力學(xué)能、電性能、化學(xué)性能及耐磨性、耐熱性和尺寸穩(wěn)定性等特點(diǎn)，還有一類特種工程塑料，它除了具有工程塑料的特性外，其綜合性能更高，長(zhǎng)期使用溫度150℃以上。

圖7.各種塑料

常見(jiàn)的工程塑料有聚酰胺、聚四氟乙烯、ABS塑料、聚甲醛、聚碳酸酯等。普通塑料是指以高分子量的合成樹(shù)脂為主要組分。

②橡膠。特種橡膠或稱特種工程橡膠，具有特殊性能和特殊用途能適應(yīng)苛刻條件下使用的合成橡膠。如耐300℃高溫，耐強(qiáng)侵蝕，耐臭氧、光、天候、輻射和耐油的氟橡膠；耐-100℃低溫和260℃高溫，對(duì)溫度依賴性小、具有低黏流活化能和生理惰性的硅橡膠；耐熱、耐溶劑、耐油，電絕緣性好的丙烯酸酯橡膠。其他還有聚氨酯橡膠、聚醚橡膠、氯化聚乙烯、氯磺化聚乙烯、環(huán)氧丙烷橡膠、聚硫橡膠等，它們亦各具優(yōu)異的獨(dú)特性能，可以滿足一般通用橡膠所不能勝任的特定要求，在國(guó)防、工業(yè)、尖端科學(xué)技術(shù)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域有著重要作用。

③合成纖維。以合成高分子化合物為原料加工而成的化學(xué)纖維。可以算上工程材料的有超高分子量聚乙烯纖維，芳綸纖維（大名鼎鼎的凱夫拉纖維，聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺），聚苯硫醚等。

圖8.輕量高強(qiáng)度的芳綸纖維是防彈衣的重要組成

④膠粘劑。結(jié)構(gòu)型膠粘劑一般指各種環(huán)境條件下能長(zhǎng)期承受大載荷的高強(qiáng)度膠粘劑，通常指能承受15MPa以上的剪切荷載和3MPa以上的不均勻扯離荷載的膠粘劑。一般要求膠接接頭所能承受的應(yīng)力與被粘物本身相當(dāng)，另外還必須具有優(yōu)良的耐熱性、耐介質(zhì)、耐大氣老化、抗沖擊等性能。一般用熱固性聚合物為主體配制而成。主要品種有環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑、酚醛樹(shù)脂膠粘劑、改性丙烯酸樹(shù)脂膠粘劑、聚氨酯膠粘劑、有機(jī)硅膠粘劑、α-氰基丙烯酸酯膠粘劑、厭氧膠粘劑等。主要用于膠接金屬、混凝土、塑料、玻璃、陶瓷、木材等受力結(jié)構(gòu)的制品。

4、復(fù)合材料：

顧名思義，復(fù)合材料就是兩種或兩種以上不同材料的組合材料，是人們運(yùn)用先進(jìn)的材料制備技術(shù)將不同性質(zhì)的材料組分優(yōu)化組合而成，意在取長(zhǎng)補(bǔ)短，發(fā)揮不同材料的特長(zhǎng)，削弱單一材料的劣勢(shì)，獲取綜合性能更加優(yōu)秀的新材料。

  在過(guò)去的數(shù)十年，由于航空、航天工業(yè)的迅猛發(fā)展，需要高強(qiáng)度、高模量、耐高溫和低密度的復(fù)合材料，于是先進(jìn)的復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生。所謂先進(jìn)復(fù)合材料，一般是指具有比強(qiáng)度大于4X10⁶厘米和比模量大于4X10⁸厘米的的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。先進(jìn)復(fù)合材料的出現(xiàn)源于航空、航天工業(yè)的需要。反之，它又促進(jìn)了航空、航天等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，被公認(rèn)為是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)中的重大關(guān)鍵技術(shù)。

典型應(yīng)用舉例：空客A320上有賊多復(fù)合材料 

復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)通常是一個(gè)相為連續(xù)相，稱為基體；而另一相是以獨(dú)立的形態(tài)分布在整個(gè)連續(xù)相中的分散相，與連續(xù)相相比，這種分散相的性能優(yōu)越，會(huì)使材料的性能顯著增強(qiáng)，故常稱為增強(qiáng)體（也稱為增強(qiáng)材料、增強(qiáng)相等）。基體材料分為金屬和非金屬兩大類，金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金，非金屬基體主要有合成樹(shù)脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細(xì)粒等。

編輯整理：Alpha