2025年材料競賽題庫及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.以下哪種材料屬于典型的“智能材料”？A.普通碳鋼B.形狀記憶合金C.石英玻璃D.聚乙烯塑料答案：B解析：智能材料具備自感知、自響應(yīng)特性，形狀記憶合金可在特定溫度下恢復(fù)初始形狀，符合智能材料定義；其余選項為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)或功能材料。2.石墨烯的理論比表面積約為：A.500m2/gB.1000m2/gC.2630m2/gD.5000m2/g答案：C解析：石墨烯為單原子層二維碳材料，理論比表面積由碳原子排列密度計算得出，約2630m2/g，是已知比表面積最大的材料之一。3.制備金屬基復(fù)合材料時，常用的增強(qiáng)相不包括：A.碳纖維B.SiC晶須C.氧化鋁顆粒D.純鋁粉答案：D解析：金屬基復(fù)合材料需通過增強(qiáng)相（如纖維、晶須、顆粒）提升基體性能，純鋁粉與基體（鋁）成分相同，無法起到增強(qiáng)作用。4.以下哪種工藝可顯著提高鈦合金的疲勞強(qiáng)度？A.固溶處理B.表面噴丸C.時效處理D.真空熔煉答案：B解析：表面噴丸通過在材料表層引入壓應(yīng)力，抑制疲勞裂紋萌生，是提高鈦合金疲勞強(qiáng)度的常用方法；固溶與時效主要調(diào)整力學(xué)性能，真空熔煉改善純度但不直接提升疲勞性能。5.半導(dǎo)體材料的禁帶寬度（Eg）決定了其：A.密度B.導(dǎo)電類型（n型或p型）C.光電轉(zhuǎn)換效率D.熱膨脹系數(shù)答案：C解析：禁帶寬度決定材料對光的吸收范圍，直接影響光電轉(zhuǎn)換效率；導(dǎo)電類型由摻雜決定，密度與熱膨脹系數(shù)為材料本征屬性。6.生物可降解高分子材料PLA（聚乳酸）的原料主要來自：A.石油B.玉米淀粉C.煤焦油D.天然氣答案：B解析：PLA通過乳酸單體聚合制備，乳酸可由玉米淀粉等生物質(zhì)發(fā)酵獲得，屬于生物基可降解材料。7.陶瓷材料的“玻璃相”主要作用是：A.提高硬度B.抑制裂紋擴(kuò)展C.降低燒結(jié)溫度D.增強(qiáng)導(dǎo)電性答案：C解析：玻璃相在陶瓷燒結(jié)過程中起粘結(jié)作用，可降低燒結(jié)溫度，促進(jìn)致密化；但會降低硬度與高溫性能。8.以下哪種測試方法可用于表征材料的耐腐蝕性？A.洛氏硬度試驗B.鹽霧試驗C.差示掃描量熱（DSC）D.X射線衍射（XRD）答案：B解析：鹽霧試驗通過模擬潮濕鹽霧環(huán)境加速腐蝕過程，是評價材料耐腐蝕性的常用方法；洛氏硬度測硬度，DSC測熱性能，XRD測晶體結(jié)構(gòu)。9.固態(tài)鋰電池中，常用的電解質(zhì)材料是：A.碳酸乙烯酯（液態(tài)）B.硫化物玻璃陶瓷C.聚丙烯（PP）D.銅箔答案：B解析：固態(tài)電池需固態(tài)電解質(zhì)，硫化物玻璃陶瓷離子電導(dǎo)率高、與電極兼容性好，是主流選擇；液態(tài)電解質(zhì)為傳統(tǒng)鋰電池使用。10.納米材料的“小尺寸效應(yīng)”主要導(dǎo)致其：A.熔點升高B.比表面積減小C.磁性減弱D.化學(xué)活性增強(qiáng)答案：D解析：納米材料尺寸減小，表面原子比例增加，表面能高，化學(xué)活性顯著增強(qiáng)；熔點通常降低，比表面積增大，磁性可能因結(jié)構(gòu)變化增強(qiáng)或減弱。二、填空題（每空1分，共20分）1.材料的“強(qiáng)度”是指材料抵抗______的能力，常用指標(biāo)有抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等。答案：永久變形或斷裂2.碳纖維的主要成分是______，其拉伸強(qiáng)度可達(dá)______GPa（填寫數(shù)值范圍）。答案：碳元素；3-73.金屬的“再結(jié)晶溫度”通常為其熔點的______（以絕對溫度比表示）。答案：0.4倍4.高分子材料的“玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）”是指______向______轉(zhuǎn)變的臨界溫度。答案：玻璃態(tài)；高彈態(tài)5.陶瓷材料的增韌方法主要有______、______和相變增韌（至少答兩種）。答案：顆粒增韌；纖維增韌（或晶須增韌）6.3D打印金屬粉末的關(guān)鍵性能要求包括______、______和流動性（至少答兩種）。答案：球形度；粒度分布7.半導(dǎo)體材料“摻雜”的目的是______，其中n型半導(dǎo)體通過摻雜______（填“施主”或“受主”）雜質(zhì)實現(xiàn)。答案：調(diào)控導(dǎo)電性能；施主8.生物醫(yī)用鈦合金Ti6Al4V中，Al的主要作用是______，V的主要作用是______。答案：提高強(qiáng)度；改善加工性能9.氣凝膠的主要特性是______和______（至少答兩種）。答案：超低密度；超高比表面積（或低熱導(dǎo)率）10.氫燃料電池的核心材料是______，其作用是______。答案：質(zhì)子交換膜；傳導(dǎo)質(zhì)子并隔離燃料與氧化劑三、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述金屬材料“加工硬化”的原理及工程意義。答案：加工硬化（應(yīng)變硬化）是金屬在塑性變形過程中，位錯密度增加、相互交割阻礙運動，導(dǎo)致強(qiáng)度與硬度升高、塑性下降的現(xiàn)象。工程意義：①作為強(qiáng)化手段（如冷沖壓）；②提高構(gòu)件在偶然過載時的安全性（避免局部變形過大）；③為后續(xù)加工（如冷軋）提供變形均勻性。2.比較“熱固性塑料”與“熱塑性塑料”的結(jié)構(gòu)差異及性能特點。答案：結(jié)構(gòu)差異：熱固性塑料為體型網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)（加熱不熔化）；熱塑性塑料為線性或支化鏈結(jié)構(gòu)（加熱可熔化）。性能特點：熱固性塑料耐熱性、剛性、尺寸穩(wěn)定性好，但脆性大、不可回收；熱塑性塑料可反復(fù)加工、韌性好，但耐熱性較低。3.分析陶瓷材料脆性大的主要原因，并列舉兩種增韌方法。答案：脆性大的原因：陶瓷晶體中鍵合以離子鍵/共價鍵為主，位錯滑移困難，裂紋易萌生且擴(kuò)展快；氣孔等缺陷多，應(yīng)力集中顯著。增韌方法：①纖維/晶須增韌（如碳纖維增韌碳化硅）；②相變增韌（如氧化鋯中四方相→單斜相相變吸收能量）；③顆粒增韌（如碳化硅顆粒分散于氧化鋁基體中）。4.說明“復(fù)合材料界面”的作用及設(shè)計原則。答案：作用：①傳遞載荷（基體通過界面將應(yīng)力傳遞給增強(qiáng)相）；②保護(hù)增強(qiáng)相（避免環(huán)境侵蝕）；③調(diào)控性能（界面結(jié)合強(qiáng)度影響復(fù)合材料的韌性與強(qiáng)度）。設(shè)計原則：①界面結(jié)合強(qiáng)度適中（過強(qiáng)易導(dǎo)致脆性斷裂，過弱則載荷傳遞效率低）；②界面化學(xué)相容性好（避免反應(yīng)生成脆性產(chǎn)物）；③界面具有一定的變形能力（緩解應(yīng)力集中）。5.簡述“雙碳”目標(biāo)下，低碳材料開發(fā)的主要方向（至少列舉3個方向）。答案：①生物基可降解材料（如PLA、PHA替代傳統(tǒng)石油基塑料）；②低碳制備工藝（如氫基煉鋼替代傳統(tǒng)焦炭煉鋼，減少CO?排放）；③碳捕捉與封存（CCUS）材料（如多孔吸附劑、礦化材料固定CO?）；④輕量化材料（如鋁合金、碳纖維降低交通工具能耗）；⑤可再生能源存儲材料（如固態(tài)電池、液流電池提升風(fēng)能/太陽能利用效率）。四、分析題（每題10分，共20分）1.某企業(yè)生產(chǎn)的鋁合金輪轂在使用半年后出現(xiàn)表面腐蝕坑，經(jīng)檢測腐蝕產(chǎn)物主要為Al?O?·nH?O。請分析可能的腐蝕原因，并提出改進(jìn)措施。答案：可能原因：①輪轂表面防護(hù)層（如陽極氧化膜）存在缺陷（孔隙、裂紋），導(dǎo)致基體與潮濕空氣/雨水直接接觸，發(fā)生電化學(xué)腐蝕（Al作為陽極被氧化）；②鋁合金成分偏析（如Mg、Cu等元素局部富集），形成微電池加速腐蝕；③使用環(huán)境中存在Cl?（如融雪劑），破壞氧化膜穩(wěn)定性，引發(fā)點蝕。改進(jìn)措施：①優(yōu)化陽極氧化工藝（如增加封孔處理），提高氧化膜致密度；②調(diào)整合金成分（如降低雜質(zhì)元素含量，添加稀土元素改善耐蝕性）；③涂覆有機(jī)涂層（如聚氨酯）作為第二道防護(hù)；④加強(qiáng)使用維護(hù)（定期清潔輪轂，避免Cl?殘留）。2.某實驗室制備了一種新型鋰離子電池正極材料LiNi?.?Co?.?Mn?.?O?（NCM811），但循環(huán)100次后容量保持率僅為70%（行業(yè)平均約85%）。請從材料結(jié)構(gòu)與制備工藝角度分析可能原因，并提出優(yōu)化方案。答案：可能原因：①材料表面殘堿（LiOH、Li?CO?）過多，循環(huán)中與電解液反應(yīng)生成氣體，破壞界面；②一次顆粒過大或二次顆粒裂紋多，循環(huán)中體積變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破碎；③制備過程中陽離子混排（Ni2?進(jìn)入Li層），阻礙Li?擴(kuò)散；④燒結(jié)溫度或時間不當(dāng)，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)不完整（如氧缺陷）。優(yōu)化方案：①采用水洗+表面包覆（如Al?O?、LiPO?）減少殘堿，同時抑制電解液侵蝕；②控制前驅(qū)體顆粒尺寸（如納米級一次顆粒），減少二次顆粒內(nèi)部應(yīng)力；③調(diào)整燒結(jié)制度（如分段燒結(jié)），降低陽離子混排度；④引入摻雜（如Mg2?、Zr??）穩(wěn)定晶格，抑制循環(huán)中的相變（如層狀→尖晶石相）。五、論述題（20分）論述“先進(jìn)功能材料”在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。答案：先進(jìn)功能材料是新能源技術(shù)突破的核心支撐，其應(yīng)用覆蓋發(fā)電、儲能、輸能全鏈條，具體現(xiàn)狀與趨勢如下：一、應(yīng)用現(xiàn)狀1.光伏材料：PERC（鈍化發(fā)射極背接觸）電池仍是主流，轉(zhuǎn)換效率超23%；鈣鈦礦太陽能電池（PSC）憑借帶隙可調(diào)、制備成本低的優(yōu)勢，實驗室效率已達(dá)26.1%（2024年數(shù)據(jù)），但穩(wěn)定性（濕度、光照衰減）仍需提升。2.儲能材料：鋰離子電池中，高鎳三元材料（如NCM811）能量密度超280Wh/kg，支撐電動汽車?yán)m(xù)航突破700km；固態(tài)電池（硫化物電解質(zhì)+硅碳負(fù)極）實驗室能量密度達(dá)400Wh/kg，已進(jìn)入中試階段。3.氫能源材料：質(zhì)子交換膜（如全氟磺酸膜）是燃料電池核心，當(dāng)前國產(chǎn)膜（如東岳集團(tuán)）質(zhì)子電導(dǎo)率達(dá)0.1S/cm，接近杜邦Nafion水平；儲氫材料中，鎂基合金（MgH?）理論儲氫量7.6wt%，但吸放氫動力學(xué)慢，需通過納米化或催化劑（如TiF?）改進(jìn)。4.熱電材料：Bi?Te?基材料在300K附近ZT值（熱電優(yōu)值）達(dá)1.2，用于廢熱回收（如汽車尾氣發(fā)電），但高溫段（>500K）仍依賴PbTe基材料，其毒性限制了大規(guī)模應(yīng)用。二、發(fā)展趨勢1.高能量密度與安全性平衡：固態(tài)電池將逐步替代液態(tài)鋰電池，重點開發(fā)石榴石型（LLZO）電解質(zhì)（解決與鋰金屬負(fù)極的界面問題）；鈉離子電池（普魯士藍(lán)類正極）因鈉資源豐富，在低速電動車與儲能領(lǐng)域加速商業(yè)化。2.低成本與可持續(xù)性：光伏領(lǐng)域推動無銦透明導(dǎo)電膜（如石墨烯/銀納米線復(fù)合膜）、無鉛鈣鈦礦（如Sn基）；儲能領(lǐng)域發(fā)展鐵基材料（磷酸鐵鋰、普魯士藍(lán)），降低對鈷、鎳等稀缺金屬的依賴。3.多功能集成化：開發(fā)“光-