1.2 材料的组成
组成材料最基本的、独立的物质称为组元，组元可以是金属元素、非金属元素、稳定化合物。材料可由纯金属、Al2O3晶体等单一组元组成，也可由多种组元组成。化学成分相同、晶体结构相同、聚集状态和性质均相同的均匀连续组成部分称为相，不同相之间由界面分隔开，固态纯金属、聚乙烯等为单相，合金、普通陶瓷、共聚物等为多相。
1.2.1 金属材料的组成
金属材料包括纯金属和合金，合金是由2种或2种以上的金属或非金属，经过熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。大多数情况下，金属材料的组元就是元素，合金中既不分解也不发生化学反应的稳定化合物也可视为组元，组元间会产生复杂的物理、化学作用。组元种类相同，但含量（成分）不同的合金构成一个合金系，根据组元数目分别称为二元系、三元系、n元系合金。
在一定外界条件下，一定成分的合金可以由若干不同的相组成，根据合金相的多少分为单相合金、两相合金、多相合金。根据晶体结构，可以将合金相分为固溶体和化合物两类，以含量较多的金属组元作溶剂，加入含量较少的溶质原子，通过溶解形成与溶剂晶体结构相同的固相为固溶体，组元相互作用形成晶格类型不同于任一组元的新相为化合物。元素间形成固溶体还是化合物，主要取决于原子尺寸、晶格类型、电子结构、电子浓度（价电子数与原子数之比）、电负性（从其他原子夺取电子变成负离子的能力）等因素。溶质原子（元素）溶入固溶体的数量称为固溶体浓度，可在一定范围内变化，溶质可以任意比例溶入的固溶体称为无限固溶体，反之称为有限固溶体。溶质原子在固溶体中的最大含量称为极限溶解度或固溶度，元素间的电负性差值增加，有利于增大固溶度。溶质原子含量超过其极限溶解度时，就会形成其他相，原子间电负性相差越大，越易形成较稳定的化合物。金属和非金属间形成的化合物为普通化合物，主要通过离子键结合或含有一定比例的共价键，具有典型的非金属性质。拥有相当程度的金属键及金属特性的化合物为金属间化合物，大多数金属间化合物由不同的金属或金属与亚金属组成。图1-1为Mg-Si二元合金相图，Mg2Si为金属间化合物，在相图中呈现1根垂直线，如果形成了以化合物为溶剂的固溶体，相图中会出现一定成分范围的单相区，也称中间相。
图1-1 Mg-Si二元合金相图
1.2.2 无机材料的组成
硅酸盐、二氧化硅是重要的无机非金属原料，广泛用于玻璃、陶瓷、光导纤维、耐火材料、冶金材料及熔剂。新型无机材料的化学组成不局限于硅酸盐，还包括氧化物、碳与碳化物、氮化物、硼化物、氟化物、硅化物、硫系化合物（包括硫化物、硒化物及碲化物）和钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐。
陶瓷一般由结晶相、玻璃相、气相（气孔）交织而成，微观组织由各种形状（颗粒状、针状、片状、纤维状）的晶粒、晶界、气孔、包裹体组成。陶瓷可以只含1种结晶相，也可以含有多种结晶相，通常以主晶相来命名陶瓷，如以刚玉（α-Al2O3）为主晶相的称为刚玉陶瓷。玻璃相为非晶态低熔物，对陶瓷的机械强度、耐热性和绝缘性能不利，固相烧结的瓷料中几乎不含玻璃相，有液相参与烧结的陶瓷中存在较多玻璃相，其主要作用是把分散的结晶相黏结在一起、抑制晶体长大、阻止多晶转变、填充气孔空隙、促使坯体致密化、降低烧成温度。陶瓷坯料存在很多气孔，烧结后通常还有5%～10%（体积分数）的残留气孔率，气孔的含量、形状、分布会影响陶瓷材料的性能，透明陶瓷要严格控制气孔率，要求密度小、绝热性能好的陶瓷，应含有尽可能多的、大小一致的、分布均匀的气孔。
玻璃的结构及性质与其化学组成密切相关，可以通过成分和微观组织结构设计来满足不同性能要求。以SiO2为主要成分的玻璃统称为硅酸盐玻璃，但是纯SiO2的熔点高达1730℃，用熔融法制作困难，在SiO2中加入Na2O、CaO等网络修饰体（调整剂）可降低熔点。添加Al2O3、B2O3可制作耐热玻璃，添加AgI、Ag2O可以使P2O5、MgO系玻璃在室温有高的电导率，而且其非晶态要比结晶态导电性能好。
玻璃陶瓷由玻璃相基体和大量均匀弥散分布的微小晶体（通常小于1μm）组成，又称微晶玻璃，其结构致密，基本无气孔，为了促进微晶的成核和适度长大，通常在配料中加入一些成核剂。
1.2.3 聚合物材料的组成
聚合物是以有机高分子化合物为主要组分的材料，其高分子化合物是由结构相同、组成相同的低分子化合物聚合而成的分子量很高的化合物。如果不是由简单结构单元（单体）重复连接而成，分子量很高的化合物也不能称为聚合物。如果聚合物的重复单元数量不大，增减几个单元会对其物理性质产生较大影响，这类聚合物为低聚物；如果重复单元数量很大，增减几个单元并不影响其物理性质，这类聚合物为高聚物。聚合物通常指的是高聚物。
单体通过聚合反应转变成大分子的结构单元，聚合反应主要有缩聚反应和加聚反应。缩聚反应由一种或几种单体相互混合而连接成聚合物，同时析出（缩去）水、氨、醇、卤化氢等低分子物质，生成物称为缩聚物，其成分与单体不同。大多数聚合物是利用加聚反应合成的，由一种或几种单体相互加成而形成聚合物，生成物称为加聚物（X—A—A—A—…—A—A—A—Y，简写为X—［A］n—Y或者［―A―］n），与单体具有相同的成分，没有副产物生成。聚乙烯就是由很多乙烯分子加聚反应合成的。图1-2为聚乙烯及其单体和链节， 1个乙烯分子CH2=CH2就是组成聚乙烯的单体，如图1-2（a）所示；单体的碳原子以不饱和的双键共价结合，还与2个H原子结合构成稳定的8电子层；结构单元—CH2—CH2—为链节，如图1-2（b）所示，在碳原子的两端有自由基；由于价电子不满足，链节趋于与其他链节结合，形成图1-2（c）所示的聚乙烯大分子链，结构式为［―CH2―CH2―］ n，其中n为聚合度。
图1-2 聚乙烯及其单体和链节
单体是稳定的，并不能自动发生聚合反应，通常加入引发剂破坏双键，以形成不稳定的链节。以引发剂H2O2为例，过氧化氢可分解为2个OH基团，破坏碳碳双键，其中1个OH基团附在乙烯链节上，加聚反应开始发生，如果反应放出的能量大于破坏双键需要的能量，加聚过程可以自发进行下去，一个个链节连接在引发后的乙烯碳键的自由基端，当单体的供应耗竭或链的活性端遇到OH基团时，或2个生长链相遇并连接时，反应终止。
大多数聚合物材料还需加入其他辅助组分，起到改善制品性能或加工性能的作用。塑料要加入增塑剂、稳定剂、填料、增强剂、颜料、润滑剂、增韧剂等，橡胶要加入硫化剂、促进剂、防老剂、补强剂、填料、软化剂等，涂料要加颜料、催干剂、增塑剂、润湿剂、悬浮剂、稳定剂等。