第一章材料科学与工程基础绪论
材料科学基础 绪论和第一章
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一、材料科学的重要地位
表0-1 人类使用材料的
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二、各种材料概况
1.金属材料 2.陶瓷材料 3.电子材料、光电子材料和超导材料
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1.金属材料
图0-1 汽车中各种材料的大致比例
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1.金属材料
图0-2 波音767飞机所用的各种材料比例
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2.陶瓷材料
第二节 原子结合键
三、混合键 解：(1) MgO 据表1-2得电负性数据XMg=1.31；XO= 3.44，代入式(1-1)得： (2) GaAs 1)得 据表1-2得XGa=1.81；XAs=2.18，代入式(1表1-3 某些陶瓷化合物的混合键特征
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第二节 原子结合键
图1-8 原子间结合力 a)原子间吸引力、排斥力、合力 b)原子间 作用位能与原子间距的关系
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图1-15 利用显微镜观察材料的 组织
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第四节 晶体材料的组织
图1-16 单相组织的两种晶粒形状 a)等轴晶 b)柱状晶
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第四节 晶体材料的组织
二、单相组织 三、多相组织
图1-17 两相组织的一些基本组织形态
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第五节
材料的稳态结构与亚稳态结构
图1-18 激活能的物理意义
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第三节 原子排列方式
二、原子排列的研究方法
图1-13 X射线在原子面AA′和BB′上的衍射
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第三节 原子排列方式
图1-14 X射线衍射分析示意及衍射分布图 a) X射线衍射分析示意图 b) SiO2晶体及非晶体的衍射分布图
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第四节 晶体材料的组织
《材料科学与工程基础》课程教学大纲
《材料科学与工程基础》教学大纲课程名称：材料科学与工程基础课程英文名称：Introduction to the Science andEngineering of Materials课程编码：0802ZY017 课程类别/性质：学科基础/选修学分：2学分总学时/理论/实验（上机）：32/32/0开课单位：化工学院适用专业：高分子材料与工程专业先修课程：无机及分析化学，有机化学一、课程简介《材料科学与工程基础》是高分子材料与工程专业学科基础课程。
是一门研究材料的结构、性能、加工和使用状况四者间关系的交叉学科。
材料科学、材料工业和高新技术的发展要求高分子材料与工程专业的学生必须具备“大材料”基础和“中材料”专业的宽厚知识结构。
开设材料科学与工程基础这门课程，主要是为了使学生建立“大材料”基础。
通过学习材料科学与工程基础，学生将接触到金属材料、无机非金属材料、高分子材料以及复合材料等各种材料，学生能清楚地认识到高分子材料在整个材料家族中所具有的结构特点、性能优势、加工特殊性以及合适的应用领域，为学生以后进一步学习高分子材料和从事材料科学与工程方面的工作打下基础。
《Introduction to the Science and Engineering of Materials》is a basic course of polymer materials and engineering. It is an interdisciplinary subject that studies the relationship between the structure, properties, processing and use of materials. The development of material science, material industry and high technology requires that students majoring in polymer materials and engineering must have the foundation of "big materials" and the generous knowledge structure of "medium materials". The course of fundamentals of materials science and engineering is mainly to enable students to establish the foundation of "big materials". By studying the fundamentals of materials science and engineering, students will be exposed to various materials such as metal materials, inorganic non-metallic materials, polymer materials and composites. Students can clearly understand the structural characteristics, performance advantages, processing particularity and appropriate application fields of polymer materials in the whole material family, Lay a foundation for students to further study polymer materials and engage in material science and Engineering in the future.二、课程教学目标通过本课程的学习使学生掌握材料物质结构、性质、加工和使用性能间的相互联系，培养学生具备“大材料”基础和“中材料”专业的宽厚知识结构，使学生建立“大材料”观。
材料科学与工程基础第二版考试必备宝典
材料科学与⼯程基础第⼆版考试必备宝典第1章绪论1.材料科学与⼯程的四个基本要素解:制备与加⼯、组成与结构、性能与应⽤、材料的设计与应⽤2.⾦属﹑⽆机⾮⾦属材料﹑⾼分⼦材料的基本特性解:①⾦属材料的基本特性:a、⾦属键;b、常温下固体,熔点较⾼;c、⾦属不透明,具有光泽;d、纯⾦属范性⼤、展性、延性⼤;e、强度较⾼;f、导热性、导电性好;g、多数⾦属在空⽓中易氧化。
②⽆机⾮⾦属材料的基本性能:a、离⼦键、共价键及其混合键;b、硬⽽脆;c、熔点⾼、耐⾼温,抗氧化;d、导热性与导电性差;e、耐化学腐蚀性好;f、耐磨损;g、成型⽅式:粉末制坯、烧结成型。
③⾼分⼦材料的基本特性:a、共价键,部分范德华键;b、分⼦量⼤,⽆明显熔点,有玻璃化转变温度(Tg)与粘流温度(Tf);c、⼒学状态有三态:玻璃态、⾼弹态与粘流态;d、质量轻,⽐重⼩;e、绝缘性好;f、优越的化学稳定性;g、成型⽅法较多。
第2章物质结构基础1. 在多电⼦的原⼦中,核外电⼦的排布应遵循哪些原则？解:泡利不相容原理、能量最低原理、洪特规则2.电离能及其影响电离能的因素解:电离能:从孤⽴原⼦中,去除束缚最弱的电⼦所需外加的能量。
影响因素:①同⼀周期,核电荷增⼤,原⼦半径减⼩,电离能增⼤;②同⼀族,原⼦半径增⼤,电离能减⼩;③电⼦构型的影响,惰性⽓体;⾮⾦属;过渡⾦属;碱⾦属;3.混合键合实例解:⽯墨:同⼀层碳原⼦之间以共价键结合,层与层之间以范德华⼒结合; ⾼分⼦:同⼀条链原⼦之间以共价键结合,链与链之间以范德华⼒结合。
4、将离⼦键,共价键,⾦属键按有⽆⽅向性进⾏分类,简单说明理由有⽅向性:共价键⽆⽅向性:离⼦键,⾦属键③⾦属键: 正离⼦排列成有序晶格,每个原⼦尽可能同更多的原⼦相结合, 形成低能量的密堆结构,正离⼦之间相对位置的改变不破坏电⼦与正离⼦间的结合⼒,⽆饱与性⼜⽆⽅向性。
②共价键:共⽤电⼦云最⼤重叠,有⽅向性③离⼦键:正负离⼦相间排列,构成三维晶体结构,⽆⽅向性与饱与性5、简述离⼦键,共价键,⾦属键的区别6、为什么共价键材料密度通常要⼩于离⼦键或⾦属键材料⾦属密度⾼的两个原因:第⼀,⾦属有较⾼的相对原⼦质量。
本科课程《材料科学与工程基础》教学大纲 (1)
四川大学本科课程《材料科学与工程基础》教学大纲一、课程基本信息课程名称（中、英文）：《材料科学与工程基础》（FUNDAMENTALS OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING）课程号（代码）：30014530课程类别：专业基础课学时/学分：48 /3先修课程：大学化学、大学物理、物理化学适用专业：高分子材料与工程等二级学科材料类专业开课时间：大学二年级下期二、课程的目的及任务材料科学与工程是二十世纪六十年代初期创立的研究材料共性规律的一门学科，其研究内容涉及金属、无机非金属和有机高分子等材料的成分、结构、加工同材料性能及材料应用之间的相互关系。
材料科学、材料工业和高新技术的发展要求高分子材料与工程等二级学科材料类专业的学生必须同时具备“大材料”基础和“中材料”专业的宽厚知识结构。
本课程是材料类专业的学科基础课程，是联系基础课与专业课的桥梁。
本课程从材料科学与工程的“四要素”出发，采用“集成化”的模式，详细讲授金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料等各种材料的共性规律及个性特征。
使学生建立材料制备/加工——组成/结构——性能---应用关系的“大材料”整体概念，从原理上认识高分子材料等各种材料的基本属性，及其在材料领域中的地位和作用。
为以后二级学科“中材料”专业课程的学习、材料设计、以及材料的应用等奠定良好基础。
本课程采用中文教材与英文原版教材相结合，实施“双语”教学。
使学生通过本课程的学习，熟悉材料科学与工程领域的主要英文专业词汇，提高对英文教材的阅读理解能力。
三、课程的教学内容、要点及学时分配（以红字方式注明重点难点）第一章绪论（1学时）本章概要：简要介绍材料的定义及分类，材料科学与工程的基本内容。
使学生了解本课程的学习内容和学习方法。
讲授要点：材料的定义、分类材料科学与工程的定义、性质、重要性（举例）课程学习的目的、方法、要求第二章材料结构基础（15学时）本章概要：按照从微观到宏观、从内部到表面、从静态到动态、从单组分到多组分的顺序，阐述原子电子结构、原子间相互作用和结合方式，固体内部和表面原子的空间排列状态、聚集态结构的有序性、无序性和转变规律及相互关系。
材料学概论
材料学概论《材料学概论》是2012年化学工业出版社出版的图书，作者是胡珊、李珍。
该书可作为材料及相关专业的教材，同时可作为材料研究人员的参考用书。
[1《材料学概论》共7章。
第1章讲述材料与材料科学研究的内容及任务，材料的类别、性质、应用、发展现状及趋势。
第2～4章分别讲述金属材料、无机非金属材料、高分子材料的基础知识、结构、生产方法、性能特点及应用。
第5章讲述矿物材料基本概念、性能特点，矿物材料的加工及应用。
第6章讲述复合材料的基础知识，增强材料的特性，复合材料的性能特点、生产工艺及应用。
第7章介绍能源、环境、生物、智能、纳米等新型材料的特点、发展及应用。
第1章绪论1 1.1 材料科学与工程1 1.2 材料的分类2 1.3 材料的性能2 1.3.1 力学性能2 1.3.2 电学性能4 1.3.3 热学性能5 1.3.4 化学性能5 1.4 材料的应用6 1.5 材料在人类社会和国民经济发展中的地位与作用8 第2章金属材料11 2.1 概述11 2.1.1 金属材料的基本概念11 2.1.2 金属材料的晶体结构12 2.2 金属及合金的相图16 2.2.1 二元合金相图16 2.2.2 铁碳合金相图24 2.3 金属材料的结晶27 2.3.1 结晶的过程27 2.3.2 结晶的热力学条件28 2.3.3 形核28 2.3.4 晶核的长大33 2.4 金属材料的性能36 2.4.1 物理性能36 2.4.2 化学性能37 2.4.3 力学性能37 2.4.4 工艺性能40 2.5 金属的热处理41 2.5.1 退火和正火422.5.2 淬火及回火42 2.5.3 表面热处理43 2.6 新型金属材料简介43 2.6.1 形状记忆合金44 2.6.2 其他金属功能材料46 第3章无机非金属材料473.1 无机非金属材料概述47 3.1.1 无机非金属材料的概念及分类47 3.1.2 无机非金属材料主要性能及应用47 3.2 陶瓷材料48 3.2.1 陶瓷的概念及分类48 3.2.2 陶瓷的显微结构与性能49 3.2.3 普通陶瓷53 3.2.4 特种陶瓷54 3.2.5 耐火材料61 3.3 玻璃65 3.3.1 玻璃的概念、特点及分类65 3.3.2 玻璃的结构66 3.3.3 玻璃的性质67 3.3.4 普通玻璃69 3.3.5 特种玻璃72 3.4 胶凝材料76 3.4.1 胶凝材料的定义、分类及发展现状76 3.4.2 普通水泥77 3.4.3 特种水泥83 3.4.4 石膏和石灰85 第4章高分子材料87 4.1 概述87 4.1.1 高分子材料的基本概念87 4.1.2 高分子材料的命名87 4.1.3 高分子材料的分类88 4.1.4 聚合反应88 4.1.5 高分子材料的成型加工89 4.1.6 高分子材料的发展现状与趋势90 4.2 高分子的结构与性能91 4.2.1 高分子的结构91 4.2.2 高分子的物理状态94 4.2.3 高分子基本性能及特点95 4.3 常用的高分子材料99 4.3.1 塑料99 4.3.2 橡胶109 4.3.3 纤维114 4.3.4 胶黏剂116 4.3.5 涂料119 4.4 功能高分子120 4.4.1 离子交换树脂121 4.4.2 高吸水性树脂122 4.4.3 感光性高分子123 4.4.4 导电高分子123 第5章矿物材料1255.1 概述125 5.1.1 矿物材料概念125 5.1.2 矿物材料学的特点126 5.1.3 矿物材料分类127 5.1.4 矿物材料的现状与发展趋势127 5.2 矿物材料的加工129 5.2.1 初加工129 5.2.2 深加工130 5.2.3 矿物材料深加工技术发展趋势130 5.2.4 矿物材料制品132 5.3 单晶矿物材料及应用132 5.3.1 金刚石132 5.3.2 石墨134 5.3.3 刚玉136 5.3.4 石英136 5.3.5 高岭石137 5.3.6 蒙脱石138。
材料学概论1-绪论
材料是人类文明 发展的物质基础
内容：学习材料学的基本知识。主要涉及 到各种材料的组成、结构、性能、应用以 及它们之间的关系。 目的：材料类专业的入门课及专业基础课 之一。了解材料的基本知识，逐步扩大材 料的专业知识面，培养分析和解决有关材 料问题的初步能力。
第一章 绪论
1. 材料的定义与分类 2. 材料的地位和作用 3. 材料学的形成和发展
晶体管小到用 电子显微镜都 难以观察！
第三代半导体材料－宽禁带半导体
SiC, GaN, ZnO 等，半导体是一种宽禁带半导体材 料，是继第一代半导体材料硅（Si）和第二代半导 体材料砷化镓（GaAs）后，发展起来的第三代半导 体材料。 在高技术中，尤其是军用和光电子 领域有优势，可以应用于： 1）高温器件
2）高功率器件
3）高频高速 4）发光与激光
SiC与Si使用范围比较
击穿电压
SiC
电子漂移速度
Si
导热率
使用温度
(使用温度>500 º C)
SiC研究和应用现状
高质量大尺寸的 SiC 晶体几乎被美国 Cree公司垄断。我国生产器件用的SiC 晶体全部依赖进口。 2英寸晶片售价为：500－800美元/片
1927~1937 1937~1966 1966~1975 1975~现在
采矿工程与冶金
采矿与冶金 冶金 冶金与材料科学 材料科学与工程
3.3 材料科学的内容
材料科学的内容可以用一个四面体来表示，也就 是材料科学是研究一种材料的成分（结构）、合
成（工艺）、性质与效能及它们之间的关系。
效能(performance)
2010
2020
在发动机上叶片材料应用的年份
合金晶粒结构的变化（约1970年代）
材料科学与工程基础教案第一章绪论
第一章 材料的结构 Structure of Material
❖材料的性能取决于材料的成分、加工工艺和结构。 ❖材料结构学是材料科学体系中最重要的学科之一。
材料科学与工程基础教案第一章绪 论
第一节 结合键 Binding Bond
一、结合力与结合能 双原子模型：
材料科学与工程基础
The Fundamentals(Elements,Principles )of Materials Science & Engineering
An Introduction to Materials Science
材料科学与工程基础教案第一章绪 论
绪论 Introduction
古代科技名著：“考工记”（先秦）、“梦溪笔谈”（宋代沈 括）、 “天工开物”（明代宋应星）
明代后：封建统治、帝国主义侵略束缚了材料的发展 停滞状态 解放后：材料科学受到重视和发展，被列为现代技术三大支柱之一。
一整套材料体系 门类全齐 数量 质量 钢铁突破2亿吨大关 世界第一 原子弹、氢弹、人造卫星、火箭
金 属 材 料 － 金 属 学 陶 瓷 材 料 － 陶 瓷 学 材 料 科 学 基 础 突 出 材 料 共 性 教 学 高 分 子 材 料 － 高 分 子 物 理
材料科学与工程基础教案第一章绪 论
材料科学与工程基础是研究材料的成分、 组织结构与性能之间关系
I ：材料结构学构 ：与 原键 子合 结、固晶 体体 结缺 构陷 、 II： 材 料 相 变 学相 ：图 凝、 固热 、处 理 II： I 材料变形学变 ：形 材与 料再 的结晶 V： I 材料学：金非 属金 材属 料材 、料、复合材料
宝钢高炉
材料科学与工程基础教案第一长章征绪三号运载火箭在发射架上的图片 论
材料科学基础(上海交大)--绪论.答案
复合材料的种类繁多，目前还没有统一的分
类方法，下面根据复合材料的三要素来分类。按 基体材料分类，有金属基复合材料，陶瓷基复合 材料，水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合材 料，橡胶基复合材料等；按增强剂形状可分为粒 子、纤维及层状复合材料；依据复合材料的性能 可分为结构复合材料和功能复合材料。
0.1.2 根据材料的性能分类
功能材料是具有优良的电学、磁学、光
学、热学、声学、力学、化学和生物学
功能及其相互转化的功能，被用于非结 构目的的高技术材料。
0.1.3 材料按服役的领域来分类
根据材料服役的技术领域可分为信息 材料、航空航天材料、能源材料、生物 医用材料等。
0.1.4 材料按结晶状态分类
单晶材料是由一个比较完整的晶粒构成的材
陈善华 教授 材料与化学化工学院
绪论 INTRODUCTION
什么是材料?
材料与人类文明
什么是材料科学？
0.1 材料分类
0.2 组成-结构-性质-工艺过程之间的关系
什么是材料?
世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。
材料是具有一定性能，可以用来制作器件、
构件、工具、装置等物品的物质。材料存
组成-结构-性质-工艺过程之间关系示意图
材料的性质是指材料对电、磁、光、热、机械载荷的
反应，主要决定于材料的组成与结构。
使用效能是材料在使用状态下表现的行为，它与材料
设计、工程环境密切相关。实用性能包括可靠性、耐用性、
寿命预测及延寿措施等。
合成与制备过程包括传统的冶炼、铸锭、制粉、压力
加工、焊接等，也包括新发展的真空溅射、气相沉积等新
粘土、硅石、菱镁矿、白云母等）为原料制造的。
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Glass
• 硅及耐火材料 Silane
• 陶瓷（器） Ceramics
传统陶瓷（天然硅酸盐矿）：各中粘土烧
制而成。(Silicate Ceramics)
特种陶瓷（人工化合物：氧化物、氮化物、
硼化物、碳化物）。
第一章材料科学与工程基础绪论
(2) 基本特性，以陶瓷为例，其它有较大差别
a. 离子键、共价键及其混合键；
第一章材料科学与工程 基础绪论
2020/12/1
第一章材料科学与工程基础绪论
第一章
绪论
Chapter 1 Introduction
• What is Materials • Classfication of Materials • What is Materials Science • What is Materials Engineering • Importance of Materials on Progress of Humen
• 1. 材料 Materials
• Material：材料科学 （工科）
•
物质科学 （理科）
• Webster编者“New International Dictionary（1971年）” 中关于材料（Materials）的定义为：材料是指用来制造
某些有形物体（如：机械、工具、建材、织物等的整
体或部分）的基本物质（如金属、木料、塑料、纤维
• 材料可以根据化学组成、状态、作用和使用领域分类。
• • 化学组成分类
• components
金属材料 无机非金属材料
有机高分子材料
• • 状态分类
• state
•
•
•
作用分类
• function
气态 液态
单晶
固态 功能
多晶 非晶 复晶
结构（工程）
•
应用领域分类
• application
建筑、仪表、电子、医用 包装、耐火．．．．能源等等。
History and Modern Science and Technology • Objective and Methods of Learning this Course
第一章材料科学与工程基础绪论
• 1-1 材料的定义和分类(Definition and Classfication)
• 1-1-1定义
•
•
灰铸铁
•
可锻铸铁
• 铸铁 — 球墨铸铁
•
蠕墨铸铁
•
特殊性能铸铁
•
第一章材料科学与工程基础绪论
(2) 有色金属
五大类
• 轻金属 （<4.5g/cm2）铝、镁、纳、钙
• 重金属 (>4.58/cm2) 铜、镍、铅、锌
• 贵金属
金、银、铂、铑
• 类金属（半）
硅Hale Waihona Puke 硒、绅、硼• 稀有金属钛、锂、钨、钼、镭
常用的稀有金属材料有：Al、Cu 、Zn、 Sn、 Pb、 Mg、 Ni……
第一章材料科学与工程基础绪论
(3) 基本特性 Principal Properties
a. 金属键，常规法生产的为晶体结构； b. 常温下固体熔点较高； c. 金属光泽； d. 纯金属范性大、展性、延性大； e. 强度较高； f. 导热、导电性好； g. 空气中移氧化，如钢、铁等生成氧化膜，合金可改性
化学变化。 • 材料的特点往往是为获得产品，一般从材料到产品的
转变过程不发生化学变化。
• 3. 材料与物质(Materials and Matter) • 材料可由一种或多种物质组成。 • 同一物质由于制备方法或加工方法不同可以得到用途
各异、类型不同的材料。
第一章材料科学与工程基础绪论
• 1-1-2类别 classfication
第一章材料科学与工程基础绪论
1. 金属材料 metals
(1) 黑色金属材料
•
化学成分——碳素钢、合金钢
•
品质——普通、优质、高级优质钢
• 钢 --- 金相组织或组织结构——珠光体、贝氏体、马氏体和奥氏体
• Stell 用途——建筑工程、结构、工具、特殊性能、专业用钢
•
冶炼方法——平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢
(1) 分类 碳链 –C–C–C
• 按主链结构 杂链 –C–N–C=O –C–O–C– backebone 元素 Si 、P、B
•
塑料 Plastics 通用塑料、工程塑料；
热塑性、热固性
橡胶 Ruber 天然、合成
• 按使用性质 纤维 Fiber 人造、合成
粘合剂 Adhesive
涂料 Coating
•
绝缘材料：漆包线、电缆、绝缘版、电器零件
•
建筑材料：贴面板、地贴
•
包装材料：塑料袋、薄膜、泡沫塑料
•
涂装：涂料
•
粘合剂：粘合剂
•
日用：织物（衣服）胶鞋
•
运输：轮胎，传送带
第一章材料科学与工程基础绪论
4. 复合材料 composites
定义：由两种以上组分组成，并且具有与其组成不同的 新的性能的材料 (1) 分类 • 按性能： 结构复合材料
抗氧化性。
(4) 用途 Application
a. 结构材料:如机床,建筑机械设备、工程交通工具； b. 导体材料，电线芯（铜） c. 工具
第一章材料科学与工程基础绪论
2 无机非金属材料 Inorganic nonmetals
(1) 分类（按成分，化学结构和用途分四大类）
• 混凝土（水泥）
• 玻璃
等）
• 迈尔《新百科全书》中材料的含义：材料是从原材料 中取得的，为生产半成品、工件、部件和成品的初始
物料，如金属、石块、木料、皮革、塑料、纸、天然 纤维和化学纤维等等。
• 材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和
物理性状的物质。
第一章材料科学与工程基础绪论
• 2. 原料与材料 • 原料（Raw Materials） • 由原料到材料。 • 原料一般不是为获得产品，而是生产材料，往往伴随
第一章材料科学与工程基础绪论
(2) 基本性质
a. 共价键，部分范氏键
b. 分子量大，无明显容点，有玻璃化转变温度Tg和粘流温度Tf；
c. 力学状态有三态 玻璃态、高弹态、粘流态
d. 比重小
e. 绝缘性好
f. 优越的化学稳定性
g. 成型方法多
(3) 用途
•
结构材料：电视机壳体、冰箱壳体、轴承、机械零件
b. 硬而脆；
c. 熔点高、耐高温抗氧化
d. 导热、导电性差；
e. 耐化学腐蚀性性好；
f. 耐磨；
g. 成型方式为粉末制坏、烧制成型
(3) 用途
• 建筑卫生陶瓷：瓷砖、浴缸。
• 工程陶瓷 工程结构陶瓷：反应釜（耐酸、耐腐蚀）
绝缘瓷瓶。
•
功能陶瓷：磁性、导电。
第一章材料科学与工程基础绪论
3. 高分子材料 polymers, Marcomolecules