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本書的作者都是目前在各大學任教的老師,我們依個人的專長,分別負責相關章節的撰寫,因此可以對材料科學基本的理論與應用作最適當的詮釋,適合大一、大二同學作為材料入門的教科書,而對工程材料有興趣的在職工程師們也可以作為自修參考之用。本書的內容與一般材料科學概論最大的不同與特色,是本書的規劃與撰寫係針對台灣的讀者之需求,尤其與台灣近年來高科技產業發展與材料人才的專長需要相呼應,對電子、光電及奈米科技發展所需的材料知識都有深入淺出的介紹。本書內容涵蓋的範圍很廣,從最基本的材料中原子鍵結與晶體構造與缺陷談起,逐步擴展到相圖,相變化現象的介紹,再談到材料的變形與破壞、材料的強化、加工與應用,目的在為讀者打下材料科學深厚的基礎。而在工程材料上,對鋼鐵材料的冶煉,輕金屬的加工製造、陶瓷與高分子材料之特性,都作了詳細的介紹,尤其對熱門的光電、電子、奈米科技等更加入了作者的研究心得與工作經驗。材料科學目前全世界都很熱門,台灣材料人才更是不足,我們希望本書對培養高科技材料人才有所助益,對產業技術的升級,貢獻綿薄之力。
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第1 章 導論
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1.1 簡介
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1.2 材料科學與工程
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1.3 材料的分類
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1.3.1 金屬材料
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1.3.2 高分子材料(polymers)
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1.3.3 陶瓷材料(ceramics)
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1.3.4 複合材料(composites)
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習題
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第2 章 原子鍵結與晶體構造
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2.1 原子結構與鍵結
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2.1.1 原子模型
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2.1.2 週期表
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2.2 鍵結(bonding)
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2.2.1 主要鍵結
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2.2.2 鍵結種類與材料物理特性關係實例
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2.2.3 次要鍵結
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2.3 結晶構造(crystal structure)
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2.3.1 晶格(lattice)
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2.3.2 對稱(symmetry)
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2.3.3 金屬結構
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2.4 結晶系統(crystal system)
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2.4.1 米勒座標系統(Miller indices)
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2.4.2 結晶平面之米勒指數(Miller indices)
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2.4.3 原子堆積係數
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2.4.4 密度(density)
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2.5 液晶(liquid crystal)
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2.6 碳結構
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2.7 單晶與複晶
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2.8 晶格系統與晶格常數之決定方法
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習題
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第3 章 結晶缺陷及固體中的缺陷
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3.1 點缺陷(point defects)
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3.1.1 本質點缺陷
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3.1.2 異質點缺陷
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3.1.3 點缺陷表示法
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3.2 擴散(diffusion)原理
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3.2.1 Fick 第一擴散定律
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3.2.2 Fick 第二擴散定律
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3.3 線缺陷(line defects)
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3.3.1 刃差排(edge dislocation)
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3.3.2 螺旋差排(screw dislocation)
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3.3.3 混合差排(mixed dislocation)
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3.3.4 布格向量(Burgers vector)
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3.4 界面缺陷(Interfacial defects)
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3.4.1 外表面
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3.4.2 晶界(grain boundary)
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3.4.3 小角晶界
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3.4.4 雙晶晶界(twin boundary)
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3.4.5 其他界面缺陷
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3.5 體缺陷(volume defects)
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習題
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第4 章 相圖(phase diagram)
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4.1 相平衡(phase equilibrium)
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4.2 平衡相圖(equilibrium phase diagram)
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4.3 一元系統之相圖
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4.4 二元系統之相圖
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4.5 相圖的解說(interpretation of phase diagram)
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4.6 共晶型平衡圖
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4.7 偏晶型平衡圖
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4.8 共析相變平衡圖
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4.9 含有中間化合物的相圖
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4.10 不平衡的冷卻過程
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習題
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第5 章 相變態
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5.1 相變態之分類
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5.2 成核(nucleation)
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5-2-1 均質成核
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5-2-2 異質成核
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5-2-3 成核劑(inoculant)
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5.3 不改變組成之相變態
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5-3-1 共軛相變
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5-3-2 有序相變
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5-3-3 麻田散鐵相變
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5.4 組成改變之相變態(伴隨擴散的相變態)
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5-4-1 共析反應
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5-4-2 等溫析出
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5-4-3 沃斯田鐵的恆溫相變
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5-4-4 沃斯田鐵的連續冷卻變態
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5.5 離相解離(spinodal decomposition)
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5.6 相變態之影響因素
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5-6-1 晶粒大小對相變行為的影響
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5-6-2 合金組成對相變的影響
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習題
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第6 章 變形
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6.1 金屬之彈性變形
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6-1-1 金屬彈性變形之特徵
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6-1-2 彈性模數與雙原子模型
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6-1-3 彈性係數
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6-1-4 由彈性應變求應力值
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6.2 金屬之塑性加工
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6.3 塑性變形
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6-3-1 塑性變形之特徵
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6-3-2 應力-應變曲線
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6-3-3 真應力-真應變曲線
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6.4 塑性變形之方式:滑動與雙晶
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6-4-1 滑動及滑動帶
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6-4-2 由滑動所發生的變形
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6-4-3 滑動系統
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6-4-4 滑動的臨界剪分應力(critical resolves shear stress,τCRSS)
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6-4-5 由雙晶(twin)所生之變形
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6.5 多晶體的塑性變形
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6-5-1 多晶體塑性變形的過程
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6-5-2 晶粒大小對塑性變形的影響
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6.6 合金的塑性變形
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6-6-1 單相固溶體的塑性變形
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6-6-2 多相合金的塑性變形
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習題
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第7 章 破壞(fracture)
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7.1 金屬的破壞類型
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7.2 延性破壞(ductile fracture )
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7.3 脆性破壞
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7.3.1 脆性破壞之特徵
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7.3.2 理論內聚強度(theoretical cohesive strength)
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7.3.3 脆性破壞的Griffith 理論(Griffith theory of brittle fracture)
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7.4 斷口形態學(fractography)
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7.5 破壞韌性
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7.6 疲勞(fatigue)
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7.6.1 疲勞破壞
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7.6.2 疲勞破斷面之觀察
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7.6.3 耐疲勞強度之影響因素
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7.7 潛變(creep)
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習題
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第8 章 強化及韌化
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8.1 固溶強化(solid-solution strengthening)
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8.2 應變硬化(strain hardening)
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8.3 塑性變形對組織的影響
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8.3.1 顯微組織的變化
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8.3.2 內應力(或殘留應力)
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8.3.3 變形組織
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8.4 加工後之退火、回復、再結晶、晶粒成長及機械性質
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8.4.1 冷加工之金屬與合金在退火過程中的變化
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8.4.2 回復(recovery)
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8.4.3 再結晶(recrystallization)
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8.4.4 晶粒成長(grain growth)
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習題
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第9 章 熱處理
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9.1 析出硬化
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9.1.1 時效處理
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9.1.2 析出(時效)硬化的原因
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9.2 熱處理(heat treatment)之定義及其重要性
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9.3 退火
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9.3.1 完全退火(full annealing)
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9.3.2 恒溫退火(isothermal annealing)
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9.3.3 均質化退火(homogenizing)
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9.3.4 球化退火(spherodizing)
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9.3.5 應力消除退火(stress relief annealing)
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9.4 正常化(normalizing)
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9.5 鋼之淬火(quenching)
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9.5.1 淬火目的及原理
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9.5.2 淬火溫度與加熱時間
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9.6 硬化能(hardenability)
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9.6.1 質量效應
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9.6.2 硬化能
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9.7 鋼之回火(tempering)
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9.7.1 回火目的
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9.7.2 回火後的組織與性質之變化
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9.7.3 合金元素對回火軟化與二次硬化的影響
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9.7.4 回火脆性
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習題
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第10 章 鐵系合金
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10.1 鐵與鋼之製造
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10.1.1 鐵、鋼及鑄鐵之定義
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10.1.2 鋼鐵廠之概況
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10.1.3 生鐵之製造
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10.1.4 煉鋼法
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10.1.5 鋼錠製造法
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10.1.6 鋼錠之加工
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10.1.7 鋼料製品之種類及用途概述
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10.2 純鐵之組織及相變化
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10.3 鋼之相變化
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10.3.1 鐵-碳平衡圖
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10.3.2 碳鋼在緩慢冷卻的相變化
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10.4 碳鋼
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10.4.1 鋼中所含元素對碳鋼特性之影響
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10.4.2 碳鋼之編號
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10.5 合金鋼
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10.5.1 合金鋼之分類
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10.5.2 普通構造用合金鋼
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10.5.3 機械構造用合金鋼
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10.5.4 彈簧鋼
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10.5.5 工具鋼
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10.5.6 高速鋼(hihg speed steel)
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10.5.7 不銹鋼
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10.5.8 其他特殊鋼
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10.6 鑄鐵
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10.6.1 鑄鐵之組織
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10.6.2 鑄鐵之石墨化過程
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10.6.3 石墨對鑄鐵機械性質之影響
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習題
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第11 章 非鐵金屬及合金
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11.1 銅及銅合金
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11.1.1 銅之物理與機械性質
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11.1.2 黃銅
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11.1.3 青銅
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11.2 鋁及鋁合金
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11.2.1 鋁之性質
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11.2.2 鋁合金
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11.3 鎂及鎂合金
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11.3.1 鎂之性質
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11.3.2 鎂合金
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11.4 鈦及鈦合金
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11.4.1 鈦之性質
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11.4.2 鈦合金之種類及性質
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習題
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第12 章 陶瓷材料之結構與成型
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12.1 緒論
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12.2 陶瓷結構
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12.2.1 陶瓷之穩定結構及配位數
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12.2.2 AX 型晶體構造
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12.2.3 AmXp 型晶體構造
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12.2.4 AmBnXp 型鈣鈦礦晶體構造
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12.2.5 陶瓷晶體密度計算
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12.3 矽酸鹽(silicate)結構
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12.4 陶瓷製程
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12.4.1 粉體製程
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12.4.2 成型法
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12.4.3 燒結
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12.5 玻璃(glass)及其形成條件
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12.6 玻璃陶瓷
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習題
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第13 章 陶瓷材料之特性
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13.1 陶瓷之機械性能
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13.1.1 陶瓷之強度
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13.1.2 陶瓷之脆性
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13.1.3 陶瓷的韌化
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13.1.4 陶瓷之強度測試
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13.2 介電性質
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13.2.1 極化量與介電位移
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13.2.2 極化機構
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13.2.3 介電常數
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13.3 介電材料用途及製造方法
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13.4 壓電效應
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13.5 陶瓷的導電特性
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13.6 陶瓷高溫超導體
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習題
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第14 章 複合材料
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14.1 緒論
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14.2 複合材料的分類
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14.3 強化材(reinforced materials)
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14.4 基材(matrix)
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14.5 基材與強化材的界面(interface)
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14.6 複合材料的強度基本性質
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14.6.1 比拉伸強度與比彈性模數
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14.6.2 纖維複合材料的破壞機制
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14.7 纖維強化塑膠複合材料的加工
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14.8 複合材料的應用與展望
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習題
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第15 章 高分子材料
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15.1 高分子材料的定義與分類
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15.2 單位之聚合反應
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15.2.1 聚加成反應
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15.2.2 聚縮合反應
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15.2.3 共聚合高分子材料
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15.2.4 高分子的分子量
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15.3 高分子晶體
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12.3.1 高分子的結晶模型
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15.3.2 高分子材料的結晶型態
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15.4 高分子材料之製程
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15.4.1 高分子材料的合成方法
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15.4.2 高分子加工
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15.5 高分子材料的應用與展望
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15.5.1 高分子材料的應用
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15.5.2 分子材料的展望
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習題
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第16 章 材料的電性質
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16.1 電的傳導(electrical conduction)
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16.2 固體的能帶理論(band theory in solids)
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16.3 金屬的能帶結構
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16.3.1 鹼金族的能帶結構
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16.4 金屬的導電特性
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16.4.1 溫度的影響
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16.4.2 晶格缺陷的影響
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16.4.3 製程與強化機構的影響
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16.5 其他之導電特性
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16.5.1 熱電偶
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16.5.2 超導體
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16.6 絕緣體
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16.7 半導體
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16.7.1 本質半導體(intrinsic semiconductor)
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16.7.2 外稟半導體(extrinsic semiconductor)
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16.7.3 溫度對導電性的影響
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16.7.4 化合物半導性
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16.7.5 半導體元件的應用
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16.7.6 半導體元件的製作技術
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16.8 離子材料的導電特性
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習題
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第17 章 磁性材料
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17.1 緒論
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17.2 磁性起源及種類
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17.2.1 順磁性
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17.2.2 反磁性(Diamagnetism)
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17.2.3 鐵磁性(ferromagnetism)
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17.2.4 反鐵磁性
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17.2.5 亞鐵磁性
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17.3 磁阻
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17.3.1 磁阻之定義
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17.3.2 磁阻之分類
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17.4 材料的磁性能
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17.4.1 永磁功能材料和軟磁功能材料
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17.4.2 資訊磁性功能材料
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17.4.3 多功能磁性功能材料
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17.4.4 磁性材料-錳鋅鐵氧磁體
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習題
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第18 章 材料的光學性質
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18.1 光的本質
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18.1.1 電磁波簡介
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18.1.2 連續輻射與特性輻射
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18.2 光與物質作用的理論基礎
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18.2.1 光和固體的交互作用
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18.2.2 原子與電子的交互作用
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18.2.3 金屬之光學性質
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18.2.4 非金屬之光學性質
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18.2.5 絕緣體之光學性質
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18.3 各種光與物質之作用
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18.3.1 X-射線
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18.3.2 發光
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18.3.3 熱發射
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18.3.4 繞射
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習題
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第19 章 材料的光電特性
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19.1 光電導性(photoconduction)
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19.2 太陽能電池
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19.3 雷射和光纖通訊
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19.4 發光與顯示
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19.4.1 光源
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19.4.2 顯示器
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習題
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第20 章 奈米科技概論
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20.1 緒論
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20.2 奈米科技發展沿革
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20.3 奈米材料之基礎物理化學性質
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20.3.1 小尺寸效應
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20.3.2 表面積效應
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20.3.3 量子尺寸效應
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20.4 奈米材料及製程
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20.4.1 奈米粒子及其製程
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20.4.2 氣相凝結法
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20.4.3 機械合金法
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20.4.4 化學溶液相關合成法
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20.5 一維奈米材料及其製程
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20.5.1 一維奈米材料發展
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20.5.2 一維奈米材料的應用
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20.6 奈米結構化鍍層及其製程
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20.7 奈米結構化塊材及其製程
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20.8 奈米多孔質材料及其製程
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20.9 奈米製造技術
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20.9.1 由大而小 vs. 由小而大
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20.9.2 傳統微影蝕刻方式
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20.9.3 由小而大及自我組裝方式
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習題
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