第4节 复合材料
“神舟6号”载人飞船穿过大气层时，外壳和大气层摩擦产生几千摄氏度的高温，是什么材料经受了这种考验而安然无恙呢？运动员在登山时用的保险绳、滑雪时用的滑雪板及钓鱼竿上的渔线等这些小巧、灵活而强度高的东西是用什么材料构成的呢？
? 研习教材重难点
研习点1 认识复合材料
1、材料科学的发展过程
材料科学的发展经历了天然材料、无机非金属材料、金属材料、有机合成材料、复合材料这五个过程。
其中，无机非金属材料主要包括陶瓷材料、玻璃材料、无机非金属涂层材料等。此类材料一般耐高温、抗腐蚀，有些材料还有独特的光电特性。硅酸盐材料主要指水泥、玻璃、陶瓷等，是传统的无机非金属材料。而半导体材料、超硬耐高温材料、发光材料等是新型无机非金属材料。
【交流·研讨】 单一材料的优缺点：
材料 金属材料 无机非金属材料 有机合成材料 实例 钢铁 普通玻璃 塑料 优点 硬度大、机械性能好 性质稳定、熔点高 强度大、电绝缘，良好的热塑性、热固性 缺点 易被腐蚀 易破碎 易燃烧、易老化，废弃后不易分解 2、复合材料的定义及组成
在撑杆跳项目中，运动员使用的撑杆的材料，既不是金属材料、无机非金属材料，也不是有机合成材料。这种材料是将两种或两种以上性质不同的材料经特殊加工而成的，像这样的材料称为复合材料。
复合材料由两部分组成，一部分称为基体，在复合材料中起黏结作用；另一部分称为增强体，在复合材料中起骨架作用。
3、复合材料的分类
按基体分类，可分为树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。 按增强体分，可分为颗粒增强复合材料、夹层增强复合材料和纤维增强复合材料。 【领悟·整合】
现在，金属材料、无机非金属材料和有机合成材料都在蓬勃的发展，虽然它们都具有各自的特点，但随着社会需求的发展，材料也走上了无机材料和有机材料综合发展的复合材料之路。材料复合后，既保持了原有材料的特点，又使各组分之间协同作用，形成了优于原材料的特性。又可以充分利用能源、节约能源，因此世界各国都在大力开展复合材料的研究。
典例1：下列关于复合材料的是说法不正确的是 A．复合材料一定是由两种或两种以上材料制成
B．复合材料保持了原材料的优点，又有优于原材料的特点 C．在复合材料中，基体起骨架作用 D．在复合材料中，增强体起骨架作用
研析：复合材料是指两种或两种以上性质不同的材料经特殊加工而成的新材料。复合材料由两部分组成，一部分称为基体，在复合材料中起黏结作用；另一部分称为增强体，在复合材料中起骨架作用。因此，复合材料保持了原材料的优点，克服了原材料的某些缺陷，也会产生优于原材料的特点。例如：玻璃钢克服了玻璃易碎的不足，保持了玻璃的硬度和强度以及合成纤维的弹性和韧性等。
答案：D。
研习点2 形形色色的复合材料
1、生产、生活中的复合材料 （1）玻璃钢
玻璃钢是一种以玻璃纤维做增强体、合成树脂做基体的复合材料。
在制造玻璃钢时，可以将玻璃纤维制成纱或织物加到合成树脂中，也可以把玻璃纤维切成短纤维加到合成树脂中。除了普通玻璃纤维外，还可以根据需要选用耐化学腐蚀、耐高温或强度高的特种玻璃纤维做玻璃钢的增强体。
玻璃钢的强度可以达到甚至超过合金钢的强度，而密度只有钢铁的1/5左右，同时，这种材料保持着较好的耐化学腐蚀、电绝缘性和机械加工性能，而且又不像普通玻璃那样硬、脆。玻璃钢目前以大量用于游乐车、水上滑梯、运输罐、电话亭、餐桌椅等产品的生产。这些产品充分发挥了玻璃钢重量轻、强度高、耐水、耐磨、耐撞、产品美观及制造方便等特点。此外，玻璃钢在排水管道工程中也得到了广泛的应用。
玻璃钢虽有很多优点，但其刚性不如钢铁，即受力后形变较大，其次是耐高温性能较差，当温度超过400℃时，强度不易保持。为了改善这些性能，出现了强度和刚性均高的碳纤维、硼纤维等增强材料。
（2）碳纤维增强复合材料
在合成树脂中加入碳纤维做增强体的复合材料叫做碳纤维增强复合材料。其特点是韧性好，强度高，质轻。碳纤维增强复合材料被广泛用于制造高尔夫球杆、网球拍、钓鱼竿、赛车、赛艇、滑雪板和冲浪板等体育用品，也广泛用在纺织机械和化工机械的制造，以及医学上人体组织中韧带的制作等。
2、航空、航天领域中的复合材料
飞机、火箭的机翼和机身以及导弹的壳体、尾翼中的复合材料大多以纤维为增强体、金属为基体的复合材料作为增强体的纤维是碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维等耐热性好的纤维，作为基体的金属用得较多的是铝、镁、钛等密度小的轻金属。这类材料的特点是耐高温、强度高、导电性和导热性好，不吸湿，不易老化。
航天飞机机身上使用的隔热陶瓷瓦是由纤维和陶瓷复合而成的材料制成，其增强体多为碳纤维、碳化硅纤维和氧化硅纤维；基体的主要成分是各种陶瓷。这种纤维增强陶瓷保持了陶瓷耐高温的特性，又增强了陶瓷的韧性，使航天飞机能安全地穿越大气层返回地球。
【领悟·整合】
现在，材料的复合正向着精细化方向发展，出现了诸如仿生复合、纳米复合、分子复合、智能复合等新方法。随着科技的进步，复合材料有着不可估量的应用前景。可以说，当前人类已经从合成材料时代进入复合材料时代。
典例2：下列材料属于复合材料的是
A．合金 B．玻璃钢 C．隔热陶瓷瓦 D．耐高温结构陶瓷
研析：合金是由两种或两种以上的金属或非金属融合而成的具有金属特性的物质，不属于复合材料。
耐高温结构陶瓷多是单一材料，如氮化硅结构陶瓷等。玻璃钢是玻璃纤维和合成树脂形成的复合材料。隔热陶瓷瓦是由纤维（如碳纤维）和陶瓷形成的复合材料。
答案：B、C。
▲ 基础思维探究
题型一、复合材料的组成及特点
典例1：下列关于复合材料的说法正确的是 A．将不同性质的材料经简单混合便成复合材料 B．合金就是复合材料
C．复合材料中的各部分作用相同
D．复合材料两种或两种以上不同性质的材料经特殊加工而制成的
研析：本题考查复合材料的概念，它不同于混合物、不同于合金。复合材料两种或两种以上不同性质的材料经特殊加工而制成的，并不是简单的混合。复合材料的两部分作用是不同的，基体起连接作用，增强体起骨架作用。
答案：D
启发引申：“基础性”是必修教材的重要特征之一，体现在本节教材中即要求同学们了解复合材料的形成和组成部分，能列举几种常见的复合材料及其在生产生活中的重要应用。
拓展?变式
1．复合材料的优点是：①强度高 ②质量轻 ③耐高温 ④耐腐蚀 A．仅 ①②
B．仅 ②③
C．仅③④
D．全部
1．研析：复合材料继承了原来天然材料、无机非金属材料、金属材料、有机合成材料等优点，极大改善了材料各种性能。具有强度高，质量轻，耐高温，耐腐蚀等特性。
答案：D
题型二、重要的复合材料
典例2：下列对玻璃钢的叙述正确的是
A．玻璃钢是由普通玻璃加强热然后骤冷而得到的，所以其成分与普通玻璃相同 B．玻璃钢是以玻璃为基体，钢纤维做增强体的复合材料 C．玻璃钢的基体是合成树脂，增强体是玻璃纤维
D．玻璃的强度和机械加工性能比合金钢稍差，但耐腐蚀性和绝缘性比合金钢好
研析：玻璃钢是人们熟悉的一种多用途的复合材料，它的学名叫玻璃纤维增强塑料，诞生于30年代。以玻璃纤维为骨料，以合成树脂作基本和粘结剂，加热压制成型就得到玻璃钢，其成品强度可与钢材媲美，比重仅为钢的1/5～1/4，耐高温、抗腐蚀、电绝缘、抗震抗裂、隔音隔热、加工方便。在航空、机械、汽车、舰船、建筑、化工等部门得到广泛的应用。
答案：C。
友情提醒：该题主要考查玻璃钢这种复合材料的基体组成结构和性能特征，应对复合材料的基体和增强体的功能有清楚的认识，需通过分析各组与复合材料在性能上的关系，进行比较判断，方能得出结论。如A选项实际指的是钢化玻璃而不是玻璃钢。
拓展?变式
2．美国的哥伦比亚号航天飞机在制造过程中应用了大量的先进复合材料，其中被覆在整个机身上的防热瓦片，使航天飞机能安全穿越大气层，是耐高温的
A．陶瓷基复合材料 B．合成树脂基复合材料 C．玻璃钢 D．金属基复合材料
2．研析：航天飞机机身上使用的隔热陶瓷瓦是由纤维和陶瓷复合而成的材料制成，其增强体多为碳纤维、碳化硅纤维和氧化硅纤维；基体的主要成分是各种陶瓷。这种纤维增强陶瓷保持了陶瓷耐高温的特性，又增强了陶瓷的韧性，使航天飞机能安全地穿越大气层返回地球。
答案：A
▲ 综合思维探究
题型一、学科内综合题
典例3：普通玻璃、钢铁和玻璃钢是三种不同的材料，它们在性能方面差别很大。请根据学过的知识，回答下面问题。
（1）普通玻璃的成分是 ；
（2）铁在人类的生产和生活中有着十分重要的应用。铁的应用，经历了 到 到 的演变过程。
（3）某种复合材料具有耐高温，强度高，导电性好，导热性好的特点，估计该复合材料的基体和增强体材料可能分别是
A．金属；C B．陶瓷；SiO2 C．合成树脂；SiO2、Al2O3、MgO D．合成树脂；C
研析：（1）玻璃是常见的硅酸盐材料。制普通玻璃的主要原料是纯碱、石灰石和石英。生产玻璃时，把原料粉碎后按一定比例混合后，放入玻璃熔炉中加强热，石灰石与石英反应生成硅酸钙和二氧化碳，纯碱与石英反应生成硅酸钠和二氧化碳，但原料中石英是过量的，所以普通玻璃的成分为硅酸钙、硅酸钠、二氧化硅。（2）由铁矿石炼得的生铁虽然硬度很大，但较脆且不易加工，人们就想办法降低生铁中的碳元素，调节其中的硅、锰等元素，将铁转化为钢，大大改善了其性能。但是，钢铁很容易锈蚀，于是不锈钢应运而生。因此，铁的应用经历了“铁——普通钢——不锈钢等特种钢”的演变过程。（3）复合材料兼具有基体和增强体的优点，据此可判断，应该为金属和C的复合材料。
答案：（1）硅酸钙、硅酸钠、二氧化硅。（2）铁、普通钢、不锈钢。（3）A
总结提升：科学技术是人类文明进步的基本推动力。人类正面临着新科技革命的挑战。而新材料技术是技术的基础，它是文明大厦的基石。普通玻璃是一种传统的无机非金属材料，而钢铁至今仍然是应用最广泛的无机金属材料。而随着科学技术的进步，材料必然要走向复合之路。同学们对这些材料的成分、性质、用途等都要把握清楚。
拓展?变式
3．对下列材料的特征及用途的说法不正确的是
A．玻璃纤维柔软如丝，可像棉纱一样纺织，但拉伸强度低
B．光导纤维传导光的能力很强，是非常好的通讯材料 C．氮化硅陶瓷耐高温且不易传热，可用于制造柴油机
D．玻璃钢强度高，密度小，耐腐蚀，可用于废水处理系统的管道
3．研析：玻璃纤维不同于植物纤维，是一种高强度的新型材料。玻璃纤维虽然极细如丝，但其拉伸强度大，其拉伸强度接近于钢。显然A项错误。
答案： A
题型二、实际应用题
典例4：某复合材料是由碳纤维为增强体、金属钛为基体复合而成的。估计这种材料
①耐高温 ②不耐热 ③导电、导热 ④不导电、不导热 ⑤可用于飞机机翼 ⑥可用于导弹的壳体 A．①③⑤⑥ B．②③⑤⑥ C．②④⑤ D．③④⑥
研析：复合材料应该兼具有增强体和基体的优点。碳纤维熔点高、强度大，金属钛熔点高、导电、导热，二者的密度都较小。因此，该碳纤维增强金属基复合材料具有以下特点及功能：a耐高温 b导电、导热 c可用于飞机机翼 d可用于导弹的壳体。
答案：A。
课标点击：课标要求同学们正确认识科学、技术与社会的相互关系，能运用所学知识解决与化学有关的一些实际问题，这也是本节的能力点所在。具体来说，就是要求同学们体会物质的元素组成与材料性能的关系，推测某种复合材料可能的应用。
拓展?变式
4．碳纤维增强复合材料是在合成树脂的基体中加入了碳纤维做增强体，具有韧性好，强度高而质轻的特点，下列物质中可用其制造的是
A．游乐车，游乐船 B．电话亭，餐桌椅 C．网球拍，钓鱼竿 D．航天飞机用隔热瓦
4．研析：游乐车，游乐船及电话亭，餐桌椅通常可用玻璃钢制得；航天飞机用隔热瓦通常用陶瓷基复合材料；碳纤维增强复合材料可用于网球拍，钓鱼竿的制作。
答案：C。
▲ 创新思维探究
题型一、开放探究题
典例5：复合材料在航空、航天领域中有重要的应用，请举例说明。
研析：复合材料以其典型的轻量特性、卓越的比强度等许多优点在日常生活和航空、航天等诸多领域中得到了广泛的应用，这样的事实非常多，以下答案仅供参考。
答案：自从先进复合材料投入应用以来，有三件值得一提的成果。第一件是美国全部用碳纤维复合材料制成一架八座商用飞机——里尔芳2100号，并试飞成功，这架飞机仅重567kg，它以结构小巧重量轻而称奇于世。第二件是采用大量先进复合材料制成的哥伦比亚号航天飞机，这架航天飞机用碳纤维/环氧树脂制作长18.2m、宽4.6m的主货舱门，用凯芙拉纤维/环氧树脂制造各种压力容器，用硼/铝复合材料制造主机身隔框和翼梁，用碳/碳复合材料制造发动机的喷管和喉衬，发动机组的传力架全用硼纤