造價工程師安裝工程講義：建設工程材料

　　1)鑄鐵的分類。

　　鑄鐵是鐵碳合金的一種，與鋼相比，其成分特點是碳、硅含量高，雜質含量也較高。但是，雜質在鋼和鑄鐵中的作用完全不同，如磷在耐磨磷鑄鐵中是提高其耐磨性的主要合金元素，錳、硅都是鑄鐵中的重要元素，唯一有害的元素是硫。

　　鑄鐵的組織特點是含有石墨。鑄鐵的韌性和塑性，主要決定于石墨的數量、形狀、大小和分布，其中石墨形狀的影響最大。鑄鐵的其他性能也與石墨密切相關，基體組織是影響鑄鐵硬度、抗壓強度和耐磨性的主要因素。

　　按照石墨的形狀特征，鑄鐵可分為灰口鑄鐵(石墨成片狀)、球墨鑄鐵(石墨成球狀)　和可鍛鑄鐵(石墨團絮狀)三大類。

　　按照鑄鐵成分中是否含有合金元素，可分為一般鑄鐵和合金鑄鐵兩大類。一般鑄鐵可分為普通鑄鐵和變質(孕育)鑄鐵。

　　2)鑄鐵牌號的表示方法。

　?、儆酶鞣N鑄鐵相應漢語拼音字母的第一個大寫字母作為鑄鐵的代號，當兩種鑄鐵名稱的代號字母相同時，可在大寫字母后加小寫字母表示。同一名稱鑄鐵需要細分時，取其細分特點的漢語拼音字母第一個大寫字母排在后面。

　?、谠谂铺栔幸话悴粯俗⒊Ｒ?guī)元素碳、硅、錳、硫和磷的符號，但當它們有特殊作用時才標注其元素符號和含量。合金元素的質量分數大于或等于1.0%時，用整數表示;小于1.0%時，一般不標注。

　?、叟铺栔写柡竺娴囊唤M數字表示其抗拉強度值(如灰鑄鐵HT100)，有兩組數字時，第一組數字表示抗拉強度值，第二組數字表示伸長率值(如球墨鑄鐵QT400—18)，兩組數字之間用“—”隔開。

　　3)工程中常用鑄鐵的性能和特點。

　?、倩铱阼T鐵?；铱阼T鐵的組織由石墨和基體兩部分組成?；w可以是鐵素體、珠光體或鐵素體加珠光體，相當于鋼的組織。因此鑄鐵的組織可以看成是鋼基體上分布著石墨。

　　灰口鑄鐵包括普通灰口鑄鐵和孕育鑄鐵兩種?；铱阼T鐵價格便宜、應用最廣泛，在各類鑄鐵的總產量中，灰口鑄鐵占80.0%以上。影響灰口鑄鐵組織和性能的因素主要是化學成分和冷卻速度。

　?、谇蚰 T鐵。其綜合機械性能接近于鋼，因鑄造性能很好、成本低廉、生產方便，在工業(yè)中得到了廣泛的應用。

　　球墨鑄鐵的成分要求比較嚴格，與灰口鑄鐵相比，它的含碳量較高，通常在4.5%～4.7%范圍內變動，以利于石墨球化。

　　球墨鑄鐵的抗拉強度遠遠超過灰口鑄鐵，而與鋼相當。因此對于承受靜載的零件，使用球墨鑄鐵比鑄鋼還節(jié)省材料，而且重量更輕。不同基體的球墨鑄鐵，性能差別很大，球墨鑄鐵具有較好的疲勞強度，實驗表明，球墨鑄鐵的扭轉疲勞強度甚至超過45號鋼。在實際應用中，大多數承受動載的零件是帶孔或帶臺肩的，因此用球墨鑄鐵來代替鋼制造某些重要零件，如曲軸、連桿和凸輪軸等。

　?、廴淠 T鐵。它的強度接近于球墨鑄鐵，并具有一定的韌性和較高的耐磨性;同時又有灰口鑄鐵良好的鑄造性能和導熱性。

　　④可鍛鑄鐵?？慑戣T鐵是由白口鑄鐵通過退火處理得到的一種高強鑄鐵。它有較高的強度、塑性和沖擊韌性，可以部分代替碳鋼。

　?、菽湍ヨT鐵。

　?、弈蜔徼T鐵。

　?、吣臀g鑄鐵。

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　　2.有色金屬

　　鐵基合金以外的金屬統稱為有色金屬，其種類繁多，性能多樣，與鋼鐵比較，其突出的優(yōu)良性能主要在物理性能和化學性能方面。

　　(1)有色金屬及其合金牌號表示方法。

　　(2)工程中常用有色金屬的性能和特點。

　　1)鋁及其合金。

　　鋁及鋁合金在電氣工程、一般機械和輕工業(yè)中都有廣泛的用途。

　　純鋁材料按純度可分為三類，有高純鋁、工業(yè)高純鋁和工業(yè)純鋁。工業(yè)純鋁純度為980%～99.0%，牌號有L1、L2、L3、L4、L5五種，編號越大，純度越低。工業(yè)純鋁可制作電線、電纜、器皿及配制合金。純鋁的強度很低，不能作為結構材料使用。

　　鋁合金是在鋁中加入合金元素后，可獲得較高的強度，并保持良好的加工性能。許多鋁合金不僅可通過冷變形提高強度，而且可用熱處理來大幅度地改善性能。因此鋁合金可用于制造承受較大荷載的機器零件和構件。

　　按照制造工藝，鋁合金還可分為變形(加工)鋁合金和鑄造鋁合金兩類。

　　①變形鋁合金包括防銹鋁合金、硬鋁合金、超硬鋁合金及鍛鋁合金等。

　　a.防銹鋁合金(LF)。防銹鋁合金中主要合金元素是錳和鎂。

　　b.硬鋁合金(LY)。硬鋁合金為Al—Cu—Mg系合金。

　　c.超硬鋁合金(LC)。超硬鋁合金為Al—Mg—Zn—Cu系合金，是強度最高的一類鋁合金。但這類合金的抗蝕性較差，高溫下軟化快，多用于制造受力大的重要構件，例如飛機大梁、起落架等。

　　d.鍛鋁合金(LD)。鍛鋁合金為Al—Mg—Si—Cu或Al—Cu—Mg—Ni—Fe系合金。

　?、阼T造鋁合金(ZL)。分為Al—Si鑄造鋁合金、Al—Cu鑄造鋁合金、Al—Mg鑄造鋁合金和Al—Zn鑄造鋁合金。

　　2)銅及其合金。純銅呈紫紅色，常稱紫銅，主要用于制作電導體及配制合金。根據雜質含量的不同，工業(yè)純銅分為T1、T2、T3、T4四種。編號越大，純度越低。純銅的強度低，不宜用作結構材料。

　　在銅中加入合金元素后，可獲得較高的強度，同時保持純銅的某些優(yōu)良性能。一般銅合金分黃銅、青銅和白銅三大類。

　　①黃銅(H)以鋅為主要合金元素的銅合金稱為黃銅。按照化學成分，黃銅分普通黃銅和復雜黃銅兩種。

　?、谇嚆~(Q)青銅原指銅錫合金，但工業(yè)上都習慣稱含鋁、硅、鉛、鈹、錳等的銅基合金為青銅，包括有錫青銅、鋁青銅、鈹青銅和硅青銅等。

　　3)鎳及其合金。鎳及鎳合金是化學、石油、有色金屬冶煉、高溫、高壓、高濃度或混有不純物等各種苛刻腐蝕環(huán)境的比較理想的金屬材料。

　　由于鎳的標準電位大于鐵，可獲得耐蝕性優(yōu)異的鎳基耐蝕合金。鎳力學性能良好，尤其塑、韌性優(yōu)良，能適應多種腐蝕環(huán)境。

　　4)鈦及其合金。鈦有許多優(yōu)異的性能是其他材料所不及的，且資源豐富，儲量僅次于鋁、鐵和鎂，成為四大元素之一。鈦合金不僅在飛機、導彈、航天和艦船等方面廣泛應用，而且也正向民用領域推廣。

　　鈦在高溫下化學活性極高，非常容易和氧、氮和碳等元素形成穩(wěn)定的化合物。工業(yè)純鈦中的雜質主要是氧、氮、氫和碳。但由于鈦在高溫下極不穩(wěn)定，易氧化和氫化，所以在大氣中工作的鈦及其合金僅在540℃以下具有良好的耐熱性;鈦具有較好的低溫性能，可作為低溫材料，常溫下鈦具有極好的抗蝕性能，在大氣、海水、硝酸和堿溶液等介質中十分穩(wěn)定。但在任何濃度的氫氟酸中均能迅速溶解。

　　5)鉛及其合金。

　　鉛在大氣、淡水、海水中很穩(wěn)定，鉛對硫酸、磷酸、亞硫酸、鉻酸和氫氟酸等則有良好的耐蝕性。鉛與硫酸作用時，在其表面產生一層不溶解的硫酸鉛，它可保護內部鉛不再被繼續(xù)腐蝕。鉛不耐硝酸的腐蝕，在鹽酸中也不穩(wěn)定。

　　6)鎂及其合金。主要特性是密度小、化學活性強、強度低。純鎂強度低，不能用于結構材料，主要用鎂合金。

　　鎂合金的優(yōu)良性能是相對密度小，因而其強度雖然不高，但是它的比強度和比剛度卻可以與合金結構鋼相媲美，故鎂合金是航空工業(yè)的重要結構材料，它能承受較大的沖擊、振動荷載，并有良好的機械加工性能和拋光性能。其缺點是耐蝕性較差、缺口敏感性大及熔鑄工藝復雜。

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　　(二)非金屬材料

　　非金屬材料也是重要的工程材料。它包括耐火材料、耐火隔熱材料、耐蝕(酸)非金屬材料和陶瓷材料等。

　　1.耐火材料

　　能承受高溫作用而不易損壞的材料，稱為耐火材料。

　　(1)耐火材料的主要性能指標和分類：

　　1)耐火材料的主要性能指標。

　?、倌突鸲取?/p>

　?、诤芍剀浕瘻囟?。

　?、鄹邷鼗瘜W穩(wěn)定性。

　?、艿挚箿囟茸兓哪芰υ胶?，則耐火材料在經受溫度急劇變化時越不易損壞。

　　⑤抗壓強度要好。

　?、廾芏群捅葻崛?。密度和比熱容要小，這樣可以減少耐火材料加熱時吸收的熱量，使加熱速度加快，但是密度小時，耐火材料的強度較低。

　?、邿釋室?，隔熱性能要好，電絕緣性能要好。

　　2)耐火材料的分類。

　　①耐火砌體材料。

　?、谀突鹚嗉盎炷?。

　　2.耐火隔熱材料

　　耐火隔熱材料，又稱為耐熱保溫材料。它是各種工業(yè)用爐(冶煉爐、加熱爐、鍋爐爐膛)的重要筑爐材料。常用的隔熱材料有硅藻土、蛭石、玻璃纖維(又稱礦渣棉)、石棉，以及它們的制品如板、管、磚等。

　　(1)硅藻土耐火隔熱保溫材料。

　　(2)硅酸鋁耐火纖維。

　　(3)微孔硅酸鈣保溫材料。

　　(4)礦渣棉制品。

　　3.耐蝕(酸)非金屬材料

　　耐蝕(酸)非金屬材料的組成主要是金屬氧化物、氧化硅和硅酸鹽等。常用的非金屬耐蝕材料有鑄石、石墨、耐酸水泥、天然耐酸石材和玻璃等。

　　(1)鑄石。鑄石具有極優(yōu)良的耐磨與耐化學腐蝕性、絕緣性及較高的抗壓性能。其耐磨性能比鋼鐵高十幾倍至幾十倍。在各類酸堿設備中，其耐腐蝕性比不銹鋼、橡膠、塑性材料及其他有色金屬高得多，但脆性大、承受沖擊荷載的能力低。因此，在要求耐蝕、耐磨或高溫條件下，當不受沖擊振動時，鑄石是鋼鐵(包括不銹鋼)的理想代用材料，不但可節(jié)約金屬材料、降低成本，而且能有效地提高設備的使用壽命。

　　(2)石墨

　　關鍵知識點二：耐蝕(酸)非金屬材料及其特性——其中的石墨是重點

　　石墨材料具有高熔點(3700℃)，在高溫下有高的機械強度。當溫度增加時，石墨的強度隨之提高。石墨在3000℃以下具有還原性，并且在中性介質中有很好的熱穩(wěn)定性。

　　在急劇改變溫度的條件下，石墨比其他結構材料都穩(wěn)定，不會炸裂破壞，石墨的導熱系數比碳鋼大2倍多，所以，石墨材料常用來制造傳熱設備。

　　石墨具有良好的化學穩(wěn)定性。除了強氧化性的酸(如硝酸、鉻酸、發(fā)煙硫酸和鹵素)之外，在所有的化學介質中都很穩(wěn)定，甚至在熔融的堿中也很穩(wěn)定。

　　石墨按來源不同可分為天然石墨和人造石墨。

　　【2009年單選題】在熔融的堿液中仍具有良好化學穩(wěn)定性的非金屬材料為(　)。

　　A.鑄石

　　B.玻璃

　　C.石墨

　　D.水玻璃型耐蝕石料

　　[答疑編號502008010103]

　　『正確答案』C

　　『答案解析』參見教材P15。

　　(3)玻璃。不耐氫氟酸、熱磷酸和熱濃堿液的腐蝕。一般用作制造化學儀器和高級玻璃制品、無堿玻璃纖維、耐熱用玻璃和絕緣材料等。

　　(4)天然耐蝕石料。天然耐蝕石料的組成含二氧化硅的質量分數一般大于55%，且其含量越高耐酸性能越好。含氧化鎂、氧化鈣的質量分數在50% >以上的石料，有較好的或好的耐堿性能，但不耐酸侵蝕。

　　(5)水玻璃型耐酸水泥。具有能抗大多數無機酸和有機酸腐蝕的能力，但不耐堿。能在空氣中硬化，具有抵抗大多數無機酸和有機酸腐蝕的能力。用于硫酸、鹽酸、磷酸(除30℃以上熱磷酸)、醋酸、氯氣、二氧化硫、三氧化硫、蟻酸和草酸等生產設備。

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　　4.陶瓷材料

　　陶瓷材料屬于硅酸鹽材料。陶瓷材料有著許多區(qū)別于其他材料的物理化學性能。比如高溫化學穩(wěn)定性、超硬的特點和極好的耐腐蝕性能。

　　(1)陶瓷材料的分類。它們可用于制造某些工業(yè)構件、零件和工具。陶瓷的種類很多，但缺乏統一的分類方法，按照習慣，陶瓷一般分為普通陶瓷和新型陶瓷兩大類。

　　(2)常用的陶瓷材料。在工程中常用的陶瓷有電器絕緣陶瓷、化工陶瓷、結構陶瓷和耐酸陶瓷等。

　　關鍵知識點三：高分子材料的特性及其中的各種塑料的特性(2009年沒有考，以前?？?

　　1.高分子材料具有較高的強度、良好的塑性、較強的耐腐蝕性能、很好的絕緣性和重量輕等優(yōu)良性能，在工程上是發(fā)展最快的一類新型結構材料。

　　高分子材料的基本性能及特點：

　　(1)質輕。

　　(2)比強度高。

　　(3)有良好的韌性。

　　(4)減摩和耐磨性好。

　　(5)電絕緣性好。

　　(6)耐蝕性。

　　(7)導熱系數小。

　　(8)易老化。

　　(9)易燃。

　　(10)耐熱性。

　　(11)剛度小。

　　2.塑料是一種以樹脂為主要成分的多組分材料，但也有少部分塑料制品例外。

　?、贅渲?。有合成樹脂和天然樹脂之分，在所有的塑料制品中幾乎都是采用合成樹脂。

　　樹脂是塑料組成材料中的基本組分，在一般塑料中約占30%～60%，有的甚至更多。

　　樹脂在塑料中主要起膠結作用，通過膠結作用把填充料等膠結成堅實整體。因此，塑料的性質主要取決于樹脂的性質。

　　②填料。又稱填充劑，其作用是提高塑料的強度和剛度，減少塑料在常溫下的蠕變(又稱冷流)現象及提高熱穩(wěn)定性，對降低塑料制品的成本、增加產量有顯著的作用，提高塑料制品的耐磨性、導熱性、導電性及阻燃性，并可改善加工性能。

　　③增塑劑。其作用是提高塑料加工時的可塑性及流動性，改善塑料制品的柔韌性。

　　④著色劑。無機顏料不僅對塑料具有著色性，同時又兼有填料和穩(wěn)定劑的作用。

　?、莘€(wěn)定劑。為延長塑料制品的使用壽命，通常在其組分中加入穩(wěn)定劑。

　　2)工程中常用塑料制品。

　?、贌崴苄运芰?。

　　a.低密度聚乙烯(LDPE)又稱為高壓聚乙烯，低密度聚乙烯具有質輕、吸濕性小、良好的電絕緣性、延伸性和透明性強、較好的耐寒性和化學穩(wěn)定性，但強度和耐環(huán)境老化性較差。一般用作耐蝕材料、小荷載零件(齒輪、軸承)及一般電纜包皮和農用薄膜等。

　　b.高密度聚乙烯(HDPE)。又稱為低壓聚乙烯，它是乙烯在催化劑存在下聚合制得，可采用注射、擠出、吹塑等方法成型。高密度聚乙烯具有良好的耐熱性和耐寒性;力學性能優(yōu)于低密度聚乙烯，介電性能優(yōu)良，但略低于低密度聚乙烯;耐磨性及化學穩(wěn)定性良好，能耐多種酸、堿、鹽類腐蝕，吸水性和水蒸氣滲透性很低，但耐老化性能較差;表面硬度高，尺寸穩(wěn)定性好。主要用于制作單口瓶、運輸箱、安全帽、汽車零件、儲罐、電纜護套、壓力管道及編織袋等。

　　c.聚丙烯(PP)。聚丙烯具有質輕、不吸水，介電性、化學穩(wěn)定性和耐熱性良好(可在100%以上使用。若無外力作用，溫度達到150℃時也不會發(fā)生變形)，力學性能優(yōu)良，但是耐光性能差、易老化、低溫韌性和染色性能不好。聚丙烯主要用于制作受熱的電氣絕緣零件、汽車零件、防腐包裝材料以及耐腐蝕的(濃鹽酸和濃硫酸除外)化工設備，如法蘭、齒輪、風扇葉輪、泵葉輪、接頭、把手和汽車方向盤調節(jié)蓋、各種化工容器、管道、閥門配件、泵殼等。

　　d.聚氯乙烯(PVC)聚氯乙烯剛度和強度比聚乙烯高，常見制品有硬、軟兩種。

　　加入增塑劑的為軟聚氯乙烯。未加的為硬聚氯乙烯。后者密度很小，抗拉強度較好，有良好的耐水性、耐油性和耐化學藥品侵蝕的件能，許多性能優(yōu)于聚乙烯。

　　e.聚四氟乙烯(PTFE，F—4)俗稱塑料王，它是由四氟乙烯用懸浮法或分散法聚合而成，具有優(yōu)良的耐高、低溫性能，可在-180～260℃的范圍內長期使用。幾乎耐所有的化學藥品，在侵蝕性極強的王水中煮沸也不起變化，摩擦系數極低，僅為0.04。它也不粘、不吸水、電性能優(yōu)異。是目前介電常數和介電損耗最小的固體絕緣材料。

　　缺點是強度低、冷流性強。主要用于制作減摩密封零件、化工耐蝕零件、熱交換器及管、棒、板制品和各種零件，以及高頻或潮濕條件下的絕緣材料;分散法聚四氟乙烯可制成薄壁管、細棒、異型材、電線和電纜包覆層。

　　f.聚苯乙烯(PS)。是苯乙烯經本體或懸浮法聚合制得的均聚物?？刹捎米⑸?、擠出、吹塑和發(fā)泡等方法成型，能切削加工和膠接。聚苯乙烯具有較大的剛度。聚苯乙烯密度小、常溫下較透明、幾乎不吸水、具有優(yōu)良的耐蝕性、電阻高，是很好的隔熱、防振、防潮和高頻絕緣材料。

　　缺點是耐沖擊性差、不耐沸水、耐油性有限，但可改性。

　　可用于制造紡織工業(yè)中的紗管、紗錠和線軸，電子工業(yè)中的儀表零件、沒備外殼，化工中的儲槽、管道、彎頭等，是隔聲、包裝、打撈和救生等極好的材料。

　　g.ABS。普通ABS是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物?？刹捎米⑸?、擠出、壓延、吹塑、發(fā)泡和真空成型等方法成型。其具有“硬、韌、剛”的混合特性，所以綜合機械性能良好。同時尺寸穩(wěn)定，容易電鍍和易于成型，耐熱和耐蝕性較好，在-40℃的低溫下仍有一定的機械強度。此外，它的性能可以根據要求由改變單體的含量來進行調整。

　　h.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。俗稱有機玻璃。

　?、跓峁绦运芰稀?/p>

　　a.酚醛模塑料(PF)。酚醛模塑料是以酚醛樹脂為基材，加入填料或添加劑制成的熱固性塑料。通常采用壓縮模塑熱成型。酚醛模塑料具有一定的機械強度(抗拉強度約 40MN/㎡)和硬度、耐磨性好、絕緣性良好、擊穿電壓在l0kV以上、耐熱性較高、耐蝕性優(yōu)良、尺寸基本穩(wěn)定，但不耐強堿和酚類物質的侵蝕。

　　b.酚醛玻璃纖維增強塑料。

　　c.環(huán)氧樹脂(EP)

　　環(huán)氧樹脂強度較高，韌性較好;尺寸穩(wěn)定性高和耐久性好;具有優(yōu)良的絕緣性能，耐熱、耐寒，可在-80～155℃溫度范圍內長期工作;化學穩(wěn)定性很高，成型工藝性能好。

　　缺點是有毒性。

　　環(huán)氧樹脂是很好的膠粘劑，對各種材料(金屬及非金屬)都有很強的膠粘能力。環(huán)氧樹脂可用于制作塑料模具、精密量具、灌封電器和電子儀表裝置、配制油船漆和罐頭涂料等。

　　d.呋喃樹脂。

　　它能耐強酸、強堿和有機溶劑腐蝕，并能適用于其中兩種介質的結合或交替使用的場合。

　　(2)橡膠。是一種具有良好耐酸、堿性能的高分子防腐蝕材料。橡膠分天然橡膠和合成橡膠兩大類。

　　(3)合成纖維。

　　工程中常用塑料制品分為熱塑性塑料和熱固性塑料。

　　常用的熱塑性塑料有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚四氟乙烯(PTFE，F—4)俗稱塑料王、聚苯乙烯(PS)、ABS(是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，俗稱有機玻璃)等。

　　常用的熱固性塑料有酚醛模塑料(PF)(不耐強堿和酚類物質的侵蝕)、酚醛玻璃纖維增強塑料、環(huán)氧樹脂(EP)、呋喃樹脂、不飽和聚酯樹脂。

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　　(四)復合材料

　　1.復合材料組成、分類和特點

　　復合材料中至少包括基體相和增強相兩大類?；w相起粘結、保護增強相并把外加荷載造成的應力傳遞到增強相上去的作用，基體相可以由金屬、樹脂和陶瓷等構成，在承載中，基體相承受應力作用的比例不大;增強相是主要承載相，并起著提高強度(或韌性)的作用，增強相的形態(tài)各異，有纖維狀、細粒狀和片狀等。

　　按增強相體類型可分為：顆粒增強型、纖維增強型和板狀增強型復合材料三大類。

　　與普通材料相比，復合材料具有許多特性，可改善或克服單一材料的弱點，充分發(fā)揮它們的優(yōu)點，并賦予材料新的性能;可按照構件的結構和受力要求，給出預定的分布、合理的配套性能，進行材料的最佳設計等。具體表現在：

　　(1)高比強度和高比模量。

　　(2)耐疲勞性高。

　　(3)抗斷裂能力強。

　　(4)減振性能好。

　　(5)高溫性能好，

　　(6)耐腐蝕性好。

　　(7)復合材料還具有較優(yōu)良的減摩性、耐磨性、自潤滑性和耐蝕性等特點。

　　2.復合材料增強體

　　(1)纖維增強體。

　　(2)顆粒增強體。

　　(3)片狀增強體。

　　3.復合材料基體

　　(1)樹脂基體。

　　(2)金屬基體。

　　(3)陶瓷基體。

　　4.復合材料應用

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