材料化学课后习题答案文档格式.docx

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8.相律是描述相平衡系统中自由度、组分数、相数之间关系的法则。

其有多种形式，其中最基本的是吉布斯相律，其通式为f=c-p+2。

二．名词解释

1.拉乌尔定律：

气液平衡时稀溶液中溶剂A在气相中的蒸气压pA等于同一温度下该纯溶剂的饱和蒸气压pA*与溶液中溶剂的摩尔分数xA的乘积，该定律称为拉乌尔定律。

2.亨利定律：

在一定温度下，稀溶液中易挥发溶质B在平衡气相中的分压pB与其在平衡液相中的摩尔分数xB成正比，该定律称为亨利定律。

3.基元反应：

化学反应并非都是由反应物直接生成生成物，而是分若干真实步骤进行的，这些步骤称为基元反应。

4.质量作用定律：

基元反应速率与反应中各反应物浓度的幂乘积成正比，这一规律称为基元反应的质量作用定律。

5.稳态近似处理：

假定中间物浓度不随时间而改变的处理方法。

6.极化：

当电化学系统中有电流通过时，两个电极上的实际电极电势将偏离其平衡电势

，这种现象称为电极的极化。

7.相图：

又称平衡状态图，用几何（图解）的方式来描述处于平衡状态时，物质的成分、相和外界条件相互关系的示意图。

三．简答题

1.简述什么是亚稳状态，其形成原因及在生产中应如何处理。

答：

1）是一种热力学不稳定状态，但在一定条件下能长期存在，称为亚稳状态。

2）形成原因：

新相难于形成。

3）生产中遇到亚稳态有时需要保护，有时需要破坏，如非晶体材料制备就是将材料高温熔融后迅速冷却，使晶格排列长程无序，从而形成非晶态亚稳结构，使材料的耐腐蚀性能力和力学性能得以提高。

金属退火处理是为了消除淬火等处理所产生的一些不平衡相，使材料的内部组织重新达到平衡状态。

2.简述物理吸附与化学吸附的区别。

项目

物理吸附

化学吸附

吸附力

分子间力

化学键力

吸附分子层

多分子层或单分子层

单分子层

吸附温度

低

高

吸附热

小

大

吸附速率

快

慢

吸附选择性

无或很差

有

3.简述热分析法绘制相图的步骤。

先将样品加热成液态，然后另其缓慢而均匀地冷却，记录冷却过程中系统在不同时刻的温度数据，以温度为纵坐标，时间为横坐标，绘制温度-时间曲线，即冷却曲线（或称步冷曲线）。

由若干条组成不同的冷却曲线可绘制出相图。

四．计算题

1.计算压力为100kPa，298K及1400K时如下反应CaCO3（s）=CaO（s）+CO2（g）的ΔrGmΘ，判断在此两温度下反应的自发性，估算该反应可以自发进行的最低温度。

解：

2.已知反应

H2（g）+

Cl2（g）=HCl（g），ΔrHmΘ=·

mol-1，在298K时，KΘ=×

1016，试计算500K时该反应的KΘ和ΔrGmΘ。

由范特霍夫方程

即

，得

3.在301K时，鲜牛奶大约在4h后变酸；

但在278K时，鲜牛奶要在48h后才变酸。

假定反应速率与牛奶变酸时间成反比，求牛奶变酸反应的活化能。

由反应速率与牛奶变酸时间成反比，可知

，反应为一级反应。

速率方程为

由阿仑尼乌斯方程

第三章材料的制备

1.熔体生长法主要有提拉法、坩埚下降法、区熔法、焰熔法等。

2.物理气相沉积法是利用高温热源将原料加热，使之汽化或形成等离子体，在基体上冷却凝聚成各种形态的材料（如晶须、薄膜、晶粒等）的方法。

其中以阴极溅射法、真空蒸镀法较为常用。

所采用的等离子种类有辉光放电等离子体、射频等离子体、电弧等离子体。

4.液相沉淀法是指在原料溶液中添加适当的沉淀剂，从而形成沉淀物的方法。

该法分为直接沉淀法、共沉淀法、均匀沉淀法。

5.固相反应按反应物状态不同分为纯固相反应、气固相反应、液固相反应及气液固相反应，按反应机理不同分为扩散控制过程、化学反应速度控制过程、晶核成核速率控制过程和升华控制过程等，按反应性质不同分为氧化反应、还原反应、加成反应、置换反应和分解反应。

6.合成新材料的一个巧妙方法是以现有的晶体材料为基础，把一些新原子导入其空位或有选择性地移除某些原子，前者称为插层法，后者称为反插层法。

引入或抽取原子后其结构一般保持不变。

1.水热法：

指在高压釜中，通过对反应体系加热、加压，产生相对高温、高压的反应环境，使通常难溶或不溶的物质溶解而达到过饱和、进而析出晶体的方法。

2.高温溶液生长法：

又称熔盐法，是采用液态金属或熔融无机化合物为溶剂，在高温下把晶体原料溶解，形成均匀的饱和溶液，通过缓慢降温或其他方法析出晶体的技术。

3.离子镀：

指蒸发物质的分子被电子碰撞电离后以离子形式沉积在固体表面的方法，是真空蒸镀与阴极溅射技术的结合。

4.化学气相输运：

是指在一定条件下把材料转变成挥发性的中间体，再改变条件使原来的材料重新形成的过程。

5.溶胶—凝胶法：

是通过凝胶前驱体的水解缩聚制备金属氧化物材料的湿化学方法。

6.自蔓延高温合成法：

是利用反应物间化学反应热的自加热和自传导作用来合成材料的一种技术。

1.何为化学气相沉积法简述其应用及分类。

1）化学气相沉积法（CVD）是指通过气相化学反应生成固态产物并沉积在固体表面的方法。

2）CVD法可用于制造覆膜、粉末、纤维等材料，它是半导体工业中应用最为广泛的沉积多种材料的技术，包括制造大范围的绝缘材料、大多数金属材料和合金材料。

2.简述溶胶—凝胶法的原理及优、缺点。

1）溶胶—凝胶法的原理：

溶胶—凝胶法一般以含高化学活性结构的化合物（无机盐或金属醇盐）为前驱体（起始原料），其主要反应步骤是先将前驱体溶于溶剂（水或有机溶剂）中，形成均匀的溶液，并进行水解、缩合，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构，网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。

凝胶经过后处理（如干燥、烧结固化）可制备出所需的材料。

2）溶胶—凝胶法的优缺点：

优点：

a.由于溶胶—凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中形成低黏度的溶液，因此可在很短的时间内获得分子水平的均匀性，在形成凝胶时，反应物之间很可能是在分子水平上被均匀地混合；

b.经过溶液反应步骤，很容易均匀定量地掺入一些微量元素，实现分子水平上的均匀掺杂；

c.一般认为溶胶—凝胶体系中组分的扩散在纳米范围内，而固相反应时组分扩散在微米范围内，因此化学反应较容易进行且所需温度较低；

d.选择合适的条件可以制备各种新型材料。

缺点：

a.所使用的原料价格比较昂贵，有些原料为有机物，对健康有害；

b.通常整个溶胶—凝胶过程所需时间较长，常需要几天或几周；

c.凝胶中存在大量微孔，在干燥过程中会逸出许多气体及有机物，并产生收缩。

3.简述矿化剂的主要作用。

1）改变反应机制降低反应活化能；

2）影响晶核的生成速率；

3）影响结晶速率及晶格结构；

4）降低系统的共熔点，改善液相性质等。

4.简述自蔓延高温合成的技术类型。

根据燃烧合成所采用的设备以及最终产物的结构等，可以将SHS分为六种主要技术形式：

1）SHS制粉技术；

2）SHS烧结技术；

3）SHS致密化技术；

4）SHS熔铸；

5）SHS焊接；

6）SHS涂层。

5.简述液相骤冷法的特点。

液相骤冷法的基本特点是先将金属或合金加热熔融成液态，然后通过不同途径使熔体急速降温，降温速度高达105~108oC/s，以致晶体生长来不及成核就降温到原子热运动足够低的温度，从而把熔体中的无序结构“冻结”并保留下来，得到结构无序的固体材料，即非晶或玻璃态材料。

样品可制成几微米到几十微米的薄片、薄带或细丝状。

第四章材料的性能

1.什么是腐蚀电池其形成应具备哪些基本条件

1）能导致金属腐蚀的原电池称为腐蚀电池。

2）其形成应具备三个基本条件：

a.不同金属或同种金属的不同区域间有电位差存在，且电位差越大，腐蚀越剧烈。

较活泼金属的电位较低，成为阳极而遭受腐蚀；

较不活泼金属电位较高，作为阴极起传递电子的作用，不受腐蚀。

b.两极材料共处于相连通的电解质溶液中。

潮湿的空气因溶解了SO2等酸性气体，而构成了电解质溶液。

c.具有不同电位的金属之间必须有导线连接或直接接触。

2.材料的强度指标有哪些这些指标各代表什么含义

材料的强度指标有

、

和

。

在弹性形变阶段，弹性变形的最大值所对应的应力称为弹性极限，用

表示。

材料的屈服强度（

），表示材料开始发生明显塑性形变的抗力。

对于没有明显屈服点的材料，规定以产生%残余变形的应力值

为其屈服强度。

值称为材料的抗拉强度，或极限强度，表示材料在载荷作用下发生断裂前的最大应力。

值称为材料的断裂应力，表示材料对塑性变形的极限抗力。

3.何为材料的塑性塑性用何种指标来评定

材料的塑性与材料断裂时的拉伸程度有关，可以用伸长率（

）和断面收缩率表示（

）。

将

5%的材料称为塑性材料；

<

5%的材料称为脆性材料。

4.比较布氏、洛氏、维氏硬度的测量原理及应用范围。

1）布氏硬度：

在直径为D（一般为10nm）的硬钢球上施加负荷F，压入被测金属表面，保持规定时间后卸载，根据被测金属表面压痕直径Di，使用下式计算布氏硬度HB:

布氏硬度压痕很大，测量值准，适用于测定未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻柔的轴承合金等，不适用于测定硬度较高的材料。

2）洛氏硬度：

用一个顶角120°

的金刚石圆锥体或直径为、的钢球，在一定载荷F下压入被测材料表面，由压痕的深度h求出材料的硬度。

压入深度h越大，硬度越低；

反之则硬度越高。

HR=（K-h）/

根据试验材料硬度的不同，分HRA、HRB、HRC三种不同的标度，其中HRC和HRA的K值取，HRB的K值取,。

HRA是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料（如硬质合金等）；

HRB是采用100kg载荷和直径淬硬的钢球求得的硬度，用于硬度较低的材料（如退火钢、铸铁等）；

HRC是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料（如淬火钢等）。

洛氏硬度压痕很小，测量值有局部性，需测数点求平均值，适用于成品和薄片。

3）维氏硬度：

是以~的负荷，将相对面夹角为136°

的方锥形金刚石压入器压在材料表面，保持规定时间后卸载，测量压痕对角线长度，再按下式计算硬度：

HV=d2

维氏硬度适用于较大工件和较深表面层的硬度测定。

还有小负荷维氏硬度，试验负荷为~，适用于较薄工件、工具表面或镀层硬度的测定；

显微维氏硬度，试验负荷小于，适用于金属箔、极薄表面层的硬度测定。

5.什么是材料的疲劳有哪些指标反映材料的疲劳性能

1）疲劳是指材料在循环受力（拉伸、压缩、弯折、剪切等）下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。

2）疲劳性能是材料抵抗疲劳破坏的能力，常以S-N曲线表征，S为应力水平，N为疲劳寿命，即在循环载荷下，产生疲劳破坏所需的应力或应变循环数。

6.什么是热膨胀其受什么因素影响

1）大多数物质的体积都随温度的升高而增大，这种现象称为热膨胀。

2）材料的热膨胀性与材料中原子结合情况有关，结合键越强则原子间作用力越大，原子离开平衡位置所需的能量越高，则热膨胀系数越小。

结合紧密的晶体的热膨胀系数比结构松散的非晶体的热膨胀系数大；

共价键材料与金属相比，一般具有较低的热膨胀系数；

离子键材料与金属相比，具有较高的热膨胀系数；

高分子材料与大多数金属和陶瓷相比具有较大的热膨胀系数；

塑料的线膨胀系数一般高于金属的3~4倍。

7.何谓压电效应简述其产生原因。

1）当对石英晶体在一定方向上施加机械应力时，在其两端表面上会出现数量相等、符号相反的束缚电荷；

当作用力反向时，表面电荷电性也反号，而且在一定范围内电荷密度与作用力成正比。

反之，石英晶体在一定方向的电场作用下，则会产生外形尺寸的变化，在一定范围内，其形变与电场强度成正比。

前者称为正压电效应，后者称为逆压电效应，统称为压电效应。

2）晶体的压电效应的本质是因为机械作用（应力与应变）引起了晶体介质的“极化”，从而导致介质两端表面上出现符号相反的束缚电荷。

8.为什么紫外光谱测量必须使用石英比色皿

一般玻璃在紫外光区（320nm以下）有较强吸收，而石英和蓝宝石则可以较好地透过紫外线，因此紫外线波段的应用中常使用石英或蓝宝石作为材料。

9.根据材料的磁化率，可以将材料的磁性大致分为哪些各代表什么含义

根据材料的磁化率，可以将材料的磁性大致分为五类，即抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性。

1）抗磁性：

某些材料在外磁场的作用下，磁化了的介质感生出的磁偶极子的作用与外磁场方向相反，使得磁化强度为负，这类材料的磁性称为抗磁性。

如Bi、Cu、Ag、Au等金属。

2）顺磁性：

顺磁性物质的主要特征是不论外加磁场是否存在，原子内部存在永久磁矩。

但在无外加磁场时，由于顺磁场的原子做无规则的热运动，宏观表现为无磁性。

在外加磁场的作用下，每个原子磁矩呈比较规则的取向，物质呈现极弱的磁性。

顺磁性物质主要有过渡元素、稀土元素、镧系元素及铝、铂等金属。

3）铁磁性：

铁、钴、镍室温下的磁化率可达103数量级，磁偶极子同向排列，属于强磁性物质，这类物质的磁性称为铁磁性。

4）反铁磁性：

某些材料在外磁场作用下，尽管每个磁偶极子的强度很高，但相邻的磁偶极子所产生的磁矩反向排列，磁化强度大小相等、方向相反，相互抵消。

这类材料称为反铁磁性材料，其磁化强度为零。

反铁磁性物质大都是非金属化合物。

5）亚铁磁性：

在铁氧体（Fe3O4）中A位离子与B位离子的磁偶极子存在反相平行特性，磁偶极子的强度和离子数目也可能不相等，从而导致其磁性不会完全消失，往往保留了剩余磁矩，表现出一定的铁磁性，称为亚铁磁性或铁氧体磁性。

10.举例说明材料的工艺性能。

1）铸造性能

铸造性能是指材料用铸造方法获得优质铸件的性能。

它取决于材料的流动性和收缩性。

流动性好的材料，充填铸模的能力强，可获得完整而致密的铸件；

收缩率小的材料，铸造冷却后，铸件缩孔小，表面无空洞，不会因收缩不均匀而引起开裂，尺寸比较稳定。

金属材料中铸铁、青铜有较好的铸造性能，可以铸造一些形状复杂的铸件。

工程塑料在某些成形工艺（如注射成形）方法中要求流动性好、收缩率小。

2）塑性加工性能

塑性加工性能是指材料通过塑性加工（锻造、冲压、挤压、轧制等）将原材料（如各种型材）加工成优质零件（毛坯或成品）的性能。

它取决于材料本身塑性高低和变形抗力（抵抗变形能力）的大小。

塑性加工的目的是使材料在外力（载荷）作用下产生塑性变形而成形，获得较好的性能。

塑性抗力小表示材料在不太大的外力作用下就可进行变形。

金属材料中铜、铝、低碳钢具有较好的塑性和较小的变形抗力，容易塑性加工成形，而铸铁、硬质合金则不能塑性加工成形。

热塑性塑料可通过挤压和压塑成形。

3）热处理性能

热处理性能主要是指钢接受淬火的能力（即淬透性），用淬硬层深度来表示。

不同钢种，接受淬火的能力不同。

合金钢淬透性能比碳钢好，这意味着合金钢的淬硬层深度厚，也说明较大零件用合金钢制造后可以获得均匀的淬火组织和力学性能。

4）焊接性能

焊接性能是指两种相同或不同的材料，通过加热、加压或两者并用将其连接在一起所表现出来的性能。

影响焊接性能的因素很多，导热性过高或过低、热膨胀系数大、塑性低或焊接时容易氧化的材料，焊接性能一般较差。

焊接性能差的材料焊接后，焊缝强度低，还可能出现变形、开裂现象。

选择特殊焊接工艺不仅可以使金属与金属焊接，还可以使金属与陶瓷、陶瓷与陶瓷、塑料与烧结材料焊接。

5）切削性能

切削性能是指材料用切削刀具进行加工时所表现出来的性能。

它取决于刀具使用寿命和被加工零件的表面粗糙度。

凡使刀具使用寿命长，加工后表面粗糙度低的材料，其切削性能好；

反之则切削性能差。

金属材料的切削性能主要与材料的种类、成分、硬度、韧性、导热性等因素有关。

一般钢材的理想切削硬度为HB160~230。

钢材若硬度太低，切削时容易“黏刀”，使表面粗糙度高；

若硬度太高，则切削时易磨损刀具。

第五章金属材料

1.金属通常可分为黑色金属与有色金属两大类，前者包括铁、锰、铬及其合金，主要是铁碳合金，常作为结构材料使用；

有色金属通常指除钢铁之外的所有金属，常作为功能材料使用。

2.大多数金属单质采取的密堆积型式有立方最紧密堆积、六方最紧密堆积、体心立方密堆积三种。

3.导电性Al>

Zn，Cu>

Fe。

4.根据溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，可将固溶体分为置换固溶体、间隙固溶体、缺位固溶体三种。

表示屈服强度值为235MPa的A级沸腾钢。

6.根据铝合金的成分及生产工艺特点，可将铝合金分为变形铝合金、铸造铝合金两类。

7.冶金的分类方法很多，根据过程性质可分为物理冶金、化学冶金；

根据冶金工艺过程不同分为火法冶金、湿法冶金、电冶金。

1.光电效应：

金属在短波辐射照射下能放出电子的现象称为光电效应。

2.合金：

指由两种或两种以上的金属元素（或金属元素与非金属元素）组成的具有金属性质的物质。

3.固溶体：

合金在固态下由不同组元互相溶解而形成的相称为固溶体。

4.间隙化合物：

是由过渡元素与硼、碳、氮、氢等原子直径较小的非金属元素形成的化合物。

5.奥氏体：

碳在γ-Fe（晶胞参数a=356pm）中的间隙固溶体。

6.马氏体：

α-Fe中碳含量可达到%的过饱和固溶体。

1.为何晶粒金属的强度和塑性都比粗晶粒高

金属在弹性形变时，晶格形状发生暂时的变化，原子间距改变，除去外力后又恢复原状。

塑性变形时，晶体内原子沿晶面滑动，除去外力后不复原。

钢材是由许多晶粒组成的，晶粒取向和晶粒间的晶界对变形影响很大。

滑动一般不易穿过晶界，而在晶界上产生应力集中，这种集中的应力再加上外力，可使相邻并未产生滑动的晶粒开始滑动。

这样滑动由少数晶粒传布到整体，不同取向的晶粒相互制约、相互协调，以适应外力的影响。

所以晶粒金属的强度和塑性都比粗晶粒高。

2.为何不能在室温下连续地将一块钢锭经多次轧制而制成薄钢板，而必须经过若干次轧制和加温再结晶的重复工序，才能制出合格的钢板

经过塑性变形后的金属，由于晶面之间产生滑动、晶粒破碎或伸长等原因，致使金属产生内应力，从而发生硬化以阻止再产生滑动，这使金属的强度、硬度增加，塑性、韧性降低。

硬化的金属结构处于不稳定的状态，有自发地向稳定状态转化的倾向。

加热提高温度，原子运动加速可促进这种转化以消除内应力。

加热时应力较集中的部位，能量最高，优先形成新的晶核，进行再结晶。

经再结晶的金属硬度和强度降低，塑性和韧性提高，使金属恢复到变形前的性能。

钢锭经过锻炼轧制，将粗晶粒的结构破碎成小晶粒，同时使原来晶界间的微隙弥合，成为致密的结构，从而大大提高了其机械性能。

3.简述储氢合金的储氢原理。

在一定温度和压力下，许多金属、合金或金属间化合物与氢能生成金属氢化物。

反应过程一般是在吸收少量的氢时，金属、合金或金属间化合物的结构不变，当氢含量提高到一定量时氢与金属、合金或金属间化合物化合生成金属氢化物，如果氢压高，可以形成过饱和氢化物。

金属、合金或金属间化合物与氢的反应是可逆过程，改变温度和压力条件可以使金属氢化物释放出氢。

储氢材料表面由于氧化膜及吸附其他气体分子，初次使用一般几乎无吸氢能力，或者需经历较长时间。

通常要进行活化处理，其工艺是在高真空中加热到3000C后，通以高纯氢，如此反复数次破坏表面氧化膜并被净化，而获得良好的反应活性。

4.简述形状记忆合金的特征。

材料在某一温度下受外力而变形，当外力去除后，仍保持其变形后的形状，但当温度上升到某数值时，材料会自动回复到变形前原有的形状，似乎对以前的形状仍保持着记忆。

第六章无机非金属材料

1.典型的无机非金属材料的晶体结构有AX型晶体、AX2型晶体、A2X3型晶体、ABO3型晶体、AB2O4型晶体、金刚石和石墨的晶体、硅酸盐晶体等类型。

2.P2O5、SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3这几种金属氧化物中，酸性最强的是P2O5，碱性最强的是Fe2O3。

3.陶瓷材料按化学成分分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷等几种。

4.普通陶瓷是用黏土（Al2O3

2SiO2

H2O）、长石（K2O

Al2O3

6SiO2，Na2O

6SiO2）、石英（SiO2）等原料烧制而成。

5.在硅酸盐水泥中有四种矿物质，即硅酸三钙（3CaO

SiO2，简写为C3S）、硅酸二钙（2CaO

SiO2，简写为C2S）、铝酸三钙（3CaO

Al2O3，简写为C3A）、铁铝酸四钙（4CaO

Fe2O3，简写为C4AF）。

6.水泥凝结硬化分为三个阶段，分别是溶解期、胶化期、硬化期（结晶期）。

二．简答题

1.无机非金属材料的结合键包括几类由它们组成的材料性能有何区别

1）无机非金属材料的结合键包括共价键和离子键两类；

2）键的比例对性能具有决定性作用，由于二者具有相对高的能量，其混合键的键能也比较大，一般为100-500kJ/mol（金属为60-250kJ/mol），从而给无机非金属材料带来熔点高、硬度高、脆性大、透明度高、导电性低的性质特点。

2.试画出NaCl晶体结构原子空间分布图。

3.试描述无机非金属材料的各种性能。

1）热力学性能：

与金属材料和高分子材料相比，耐高温是陶瓷材料的优异特性之一；

2）力学性能：

与金属材料相比，无机非金属材料由于化学键多为离子键和共价键，键能高且键具有明显的方向性，所以晶体结构复杂，其弹性、硬度、塑性、强度、断裂和冲击性能等与金属材料差异较大；

3）电学性能：

金属能导电，主要是其具有核外自由运动的自由电子，而无机非金属材料一般都不具有自由电子，所以导电性较差，那意味着此类材料多为良好的绝缘体；

4）磁学性能：

无机非金属材料具有强磁性、高电阻和低松弛损失等特性，将其用于电子技术中的高频器件比用磁性金属优越；

5）光学性能：

无机非金属材料光学性能具有多样性和复杂性，主要包括对光的折射、反射、吸收、散射和透射，以及受激辐射光放大的特性等多方面；

6）化学性能：

无机非金属材料多由氧化物组成，随着其键合力的增加而酸性越强，碱性越弱。

4.陶瓷材料都包括哪些陶瓷其性能、应用有何区别

1）氧化物