2025年材料知識競賽試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共30分）1.以下哪種材料屬于典型的形狀記憶合金？A.鋁合金（6061）B.鈦鎳合金（TiNi）C.銅鋅合金（CuZn）D.鎂鋰合金（MgLi）答案：B2.鋼的強(qiáng)度隨含碳量增加而提高，但超過一定值后塑性顯著下降，該臨界含碳量約為：A.0.25%B.0.6%C.1.0%D.2.11%答案：D（鋼的含碳量范圍為0.0218%-2.11%，超過2.11%為鑄鐵）3.高分子材料的“粘流溫度（Tf）”是指：A.非晶態(tài)高分子從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)的溫度B.高彈態(tài)高分子轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)的溫度C.結(jié)晶高分子完全熔化的溫度D.熱固性塑料發(fā)生分解的溫度答案：B4.以下哪種陶瓷屬于結(jié)構(gòu)陶瓷？A.氧化鋯（ZrO?）氧傳感器B.碳化硅（SiC）高溫爐管C.鈦酸鋇（BaTiO?）電容器D.釔鋇銅氧（YBa?Cu?O?）超導(dǎo)陶瓷答案：B（結(jié)構(gòu)陶瓷側(cè)重力學(xué)性能，功能陶瓷側(cè)重電、磁、光等特性）5.納米材料的“小尺寸效應(yīng)”主要表現(xiàn)為：A.比表面積增大導(dǎo)致表面能升高B.顆粒尺寸接近電子德布羅意波長時(shí)導(dǎo)電性變化C.晶粒尺寸減小使材料強(qiáng)度提高（霍爾-佩奇效應(yīng)）D.顆粒尺寸小于光波長時(shí)光學(xué)性質(zhì)改變（如顏色變化）答案：D（小尺寸效應(yīng)指當(dāng)顆粒尺寸與光波波長、德布羅意波長等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，其聲、光、電、磁、熱等特性發(fā)生顯著變化）6.制備高純度單晶硅最常用的方法是：A.區(qū)熔法（FZ）B.直拉法（CZ）C.氣相沉積法（CVD）D.溶膠-凝膠法（Sol-Gel）答案：B（直拉法占全球90%以上單晶硅產(chǎn)量，區(qū)熔法用于更高純度但成本高）7.以下哪種材料屬于生物可降解高分子？A.聚乙烯（PE）B.聚乳酸（PLA）C.聚四氟乙烯（PTFE）D.尼龍-6（PA6）答案：B8.鋁合金“時(shí)效強(qiáng)化”的關(guān)鍵是：A.形成固溶體B.析出細(xì)小彌散的第二相C.細(xì)化晶粒D.引入位錯(cuò)纏結(jié)答案：B（過飽和固溶體在時(shí)效過程中析出強(qiáng)化相，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)）9.超導(dǎo)材料的“臨界溫度（Tc）”是指：A.材料電阻降為零的溫度B.材料失去邁斯納效應(yīng)的溫度C.材料從正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度D.材料臨界磁場降為零的溫度答案：C（臨界溫度是超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度）10.以下哪種復(fù)合材料的增強(qiáng)體與基體結(jié)合方式屬于“化學(xué)結(jié)合”？A.碳纖維/環(huán)氧樹脂（界面無化學(xué)反應(yīng)）B.碳化硅纖維/玻璃陶瓷（界面形成Si-O鍵）C.玻璃纖維/聚酯樹脂（界面僅范德華力）D.鋼纖維/混凝土（機(jī)械咬合為主）答案：B（化學(xué)結(jié)合通過界面化學(xué)鍵實(shí)現(xiàn)，如共價(jià)鍵、離子鍵）11.表征材料斷裂韌性的參數(shù)是：A.維氏硬度（HV）B.屈服強(qiáng)度（σs）C.斷裂韌度（KIC）D.彈性模量（E）答案：C12.鈣鈦礦太陽能電池的核心光吸收層材料是：A.單晶硅（Si）B.碲化鎘（CdTe）C.甲胺鉛碘（CH?NH?PbI?）D.銅銦鎵硒（CIGS）答案：C13.以下哪種處理工藝可顯著提高鋼的表面硬度？A.完全退火B(yǎng).正火C.表面淬火D.球化退火答案：C（表面淬火通過快速冷卻使表層形成馬氏體，提高硬度）14.高分子材料的“數(shù)均分子量（Mn）”與“重均分子量（Mw）”的關(guān)系通常為：A.Mn>MwB.Mn=MwC.Mn<MwD.無固定關(guān)系答案：C（重均分子量對大分子更敏感，因此Mw≥Mn）15.以下哪種金屬的密度最??？A.鋁（Al）B.鎂（Mg）C.鈦（Ti）D.鋰（Li）答案：D（鋰密度約0.534g/cm3，鎂1.74g/cm3，鋁2.7g/cm3，鈦4.5g/cm3）二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分，少選得1分，錯(cuò)選不得分）1.以下屬于功能材料的有：A.鐵氧體（磁性）B.形狀記憶合金C.高溫合金（渦輪葉片）D.壓電陶瓷（PZT）答案：ABD（高溫合金屬于結(jié)構(gòu)材料）2.納米材料的制備方法包括：A.機(jī)械球磨法B.溶膠-凝膠法C.氣相沉積法（CVD）D.電解精煉法答案：ABC（電解精煉用于金屬提純，非納米制備）3.影響高分子材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）的因素有：A.分子鏈剛性（主鏈含苯環(huán)則Tg升高）B.分子量（分子量增大則Tg升高，直至臨界分子量）C.側(cè)基體積（側(cè)基體積增大則Tg升高）D.結(jié)晶度（結(jié)晶度升高則Tg降低）答案：ABC（結(jié)晶度升高會(huì)限制非晶區(qū)分子運(yùn)動(dòng)，實(shí)際Tg可能略升高或不變）4.以下哪些是金屬材料的強(qiáng)化機(jī)制？A.固溶強(qiáng)化B.細(xì)晶強(qiáng)化C.彌散強(qiáng)化D.相變強(qiáng)化答案：ABCD（均為典型強(qiáng)化機(jī)制）5.鋰離子電池的關(guān)鍵組成部分包括：A.正極材料（如LiCoO?）B.負(fù)極材料（如石墨）C.電解液（六氟磷酸鋰溶液）D.隔膜（聚乙烯/聚丙烯多孔膜）答案：ABCD三、填空題（每空1分，共20分）1.材料科學(xué)的核心四要素是：成分與結(jié)構(gòu)、______、性能、______。（制備與加工；使用環(huán)境）2.鋼按含碳量分類，含碳量0.25%-0.6%的鋼稱為______。（中碳鋼）3.高分子鏈的幾何形態(tài)可分為：線型、______、______。（支化型；體型/網(wǎng)狀）4.陶瓷的脆性主要源于其內(nèi)部存在______，在外力作用下易引發(fā)裂紋擴(kuò)展。（微裂紋/缺陷）5.復(fù)合材料的基本性能取決于：增強(qiáng)體性能、______、______。（基體性能；界面結(jié)合強(qiáng)度）6.表征材料抵抗彈性變形能力的參數(shù)是______，表征材料抵抗塑性變形能力的參數(shù)是______。（彈性模量；屈服強(qiáng)度）7.半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電機(jī)制是______和空穴的移動(dòng)。（自由電子）8.生物醫(yī)用材料需滿足的基本要求包括：生物相容性、______、______。（力學(xué)適配性；可加工性/降解可控性）9.傳統(tǒng)硅酸鹽陶瓷的主要原料是______、______、長石。（黏土；石英）10.金屬的塑性變形主要通過______的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，其阻力增大將導(dǎo)致材料______（現(xiàn)象）。（位錯(cuò)；加工硬化）四、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述鋁合金“固溶處理+時(shí)效”的工藝目的及原理。答案：固溶處理是將鋁合金加熱至單相區(qū)保溫，使第二相充分溶解于基體，形成過飽和固溶體；隨后快速冷卻（淬火），保留過飽和狀態(tài)。時(shí)效是在室溫或加熱條件下，過飽和固溶體分解，析出細(xì)小彌散的強(qiáng)化相（如θ相Al?Cu）。這些強(qiáng)化相阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，顯著提高材料強(qiáng)度（時(shí)效強(qiáng)化）。2.比較熱塑性塑料與熱固性塑料的結(jié)構(gòu)與性能差異。答案：熱塑性塑料為線型或支化高分子鏈，加熱可熔融（可逆），可反復(fù)加工，韌性較好（如PE、PP）；熱固性塑料為體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，加熱不熔融（不可逆），加工成型后尺寸穩(wěn)定，硬度高但脆性大（如酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂）。3.為什么納米陶瓷的塑性比傳統(tǒng)粗晶陶瓷顯著提高？答案：納米陶瓷晶粒尺寸?。?lt;100nm），晶界體積分?jǐn)?shù)大（可達(dá)50%）。晶界原子排列不規(guī)則，在應(yīng)力作用下可通過晶界滑動(dòng)、晶粒旋轉(zhuǎn)等方式協(xié)調(diào)變形，減少微裂紋的萌生與擴(kuò)展，從而提高塑性。4.說明“霍爾-佩奇關(guān)系”的物理意義及適用范圍。答案：霍爾-佩奇關(guān)系表達(dá)式為σs=σ0+kd?1/2，其中σs為屈服強(qiáng)度，d為晶粒尺寸，σ0為單晶體的屈服強(qiáng)度，k為常數(shù)。其物理意義是：晶粒越細(xì)（d越?。?，晶界越多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻越嚴(yán)重，材料屈服強(qiáng)度越高。該關(guān)系適用于室溫下的多晶體金屬材料，晶粒尺寸在微米級（1μm-1mm）；當(dāng)晶粒細(xì)化至納米級時(shí)可能出現(xiàn)反霍爾-佩奇效應(yīng)（強(qiáng)度隨晶粒減小而降低）。5.列舉三種新能源材料及其對應(yīng)應(yīng)用場景。答案：①三元正極材料（LiNiCoMnO?）：鋰離子動(dòng)力電池（電動(dòng)汽車）；②固態(tài)電解質(zhì)（LLZO，鋰鑭鋯氧）：固態(tài)鋰電池（高安全性、高能量密度）；③鈣鈦礦吸光層材料（FAPbI?）：鈣鈦礦太陽能電池（光伏發(fā)電）。五、論述題（每題12.5分，共25分）1.結(jié)合“雙碳”目標(biāo)，論述金屬基復(fù)合材料在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用潛力及關(guān)鍵挑戰(zhàn)。答案：“雙碳”目標(biāo)推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)向低碳化轉(zhuǎn)型，金屬基復(fù)合材料（MMCs）因高比強(qiáng)度、高導(dǎo)熱性、低膨脹系數(shù)等特性，在新能源領(lǐng)域具有重要應(yīng)用潛力：-動(dòng)力電池散熱：電子設(shè)備及動(dòng)力電池需高效散熱，如Al/SiC復(fù)合材料（熱導(dǎo)率180-220W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)7-10ppm/℃）可用于電池包殼體，匹配電芯材料（如LiCoO?膨脹系數(shù)約12ppm/℃），避免熱應(yīng)力開裂。-風(fēng)電葉片關(guān)鍵部件：Mg/碳纖維復(fù)合材料密度低（<2g/cm3）、比模量高，可用于風(fēng)電變槳軸承座，減輕機(jī)組重量，降低運(yùn)輸與安裝成本。-氫燃料電池bipolarplate（雙極板）：不銹鋼/石墨烯復(fù)合材料兼具耐腐蝕性（氫環(huán)境下抗腐蝕）與高導(dǎo)電性（電導(dǎo)率>1000S/cm），可替代傳統(tǒng)石墨雙極板（脆性大、加工成本高）。關(guān)鍵挑戰(zhàn)包括：-界面結(jié)合控制：金屬基體（如Al、Mg）與增強(qiáng)體（如SiC、碳纖維）間易發(fā)生界面反應(yīng)（如Al與C生成Al4C3脆性相），需通過表面改性（如碳纖維鍍鈦）抑制副反應(yīng)。-成本與規(guī)?；苽洌篗MCs制備（如攪拌鑄造、粉末冶金）工藝復(fù)雜，增強(qiáng)體分散均勻性難控制，導(dǎo)致成品率低、成本高（約為傳統(tǒng)鋁合金的3-5倍）。-循環(huán)回收技術(shù)：復(fù)合材料多相結(jié)構(gòu)使回收時(shí)基體與增強(qiáng)體分離困難，現(xiàn)有工藝（如高溫熔融）易導(dǎo)致增強(qiáng)體性能退化，需開發(fā)綠色回收技術(shù)（如選擇性溶解、機(jī)械分離）。2.從材料結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系角度，分析為什么“高熵合金”能突破傳統(tǒng)合金的性能極限。答案：高熵合金（HEAs）通常由5種及以上主元素（原子分?jǐn)?shù)5%-35%）組成，其結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系突破了傳統(tǒng)合金“主元素主導(dǎo)”的設(shè)計(jì)理念，具體機(jī)制如下：-高熵效應(yīng)：多主元混合導(dǎo)致組態(tài)熵顯著增加（ΔSconf≈RlnN，N為主元數(shù)），抑制有序相（如金屬間化合物）形成，促進(jìn)簡單固溶體（FCC、BCC或HCP）結(jié)構(gòu)。例如，典型CoCrFeMnNiHEA為單一FCC結(jié)構(gòu)，避免了傳統(tǒng)合金中第二相引起的脆性。-晶格畸變效應(yīng)：多主元原子尺寸差異（如Co原子半徑0.125nm，Mn為0.139nm）導(dǎo)致晶格嚴(yán)重畸變，形成“原子級迷宮”，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明，CoCrFeMnNi的室溫屈服強(qiáng)度（約230MPa）高于純Fe（約200MPa），且加工硬化率更高（應(yīng)變?yōu)?.2時(shí)強(qiáng)度達(dá)600MPa）。-遲滯擴(kuò)散效應(yīng)：晶格畸變與多組元交互作用降低原子擴(kuò)散系數(shù)（比傳統(tǒng)合金低1-2個(gè)數(shù)量級），使高溫下組織穩(wěn)定性提高。例如，AlCoCrFeNiHEA在800℃下時(shí)效1000小時(shí)仍無明顯粗化，而傳統(tǒng)鎳基高溫合金（如Inconel718）在此溫度下γ''相易粗