2025年大學(xué)《智能體育工程》專業(yè)題庫——智能運動裝備的材料學(xué)性能研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每小題4分，共20分）1.生物相容性2.形狀記憶效應(yīng)3.導(dǎo)電聚合物4.能量收集材料5.Z軸緩沖二、簡答題（每小題6分，共30分）1.簡述碳纖維復(fù)合材料在高端跑鞋中應(yīng)用的主要優(yōu)勢及其面臨的主要挑戰(zhàn)。2.智能運動裝備中常用的柔性傳感器有哪些類型？簡述其工作原理及對材料性能的主要要求。3.解釋什么是材料的“性能權(quán)衡”，并舉例說明在智能運動裝備材料選擇中常見的性能權(quán)衡關(guān)系。4.簡述進(jìn)行智能運動裝備中泡沫材料耐磨性能測試的常用方法及其評價意義。5.為什么說EVA泡沫是運動鞋中廣泛應(yīng)用的緩沖材料？它主要的材料性能指標(biāo)有哪些？三、論述題（每小題15分，共45分）1.以可穿戴心率監(jiān)測設(shè)備為例，分析其關(guān)鍵部件（如電極材料、傳感器基底、導(dǎo)電織物、封裝材料）的材料選擇對其性能（準(zhǔn)確性、舒適性、耐用性、續(xù)航等）的影響，并探討未來可能的新型材料應(yīng)用方向。2.結(jié)合具體運動場景（如高強度間歇跑、長距離游泳），論述對智能運動服裝材料性能的核心要求，并分析不同材料（如導(dǎo)電纖維混紡、防水透氣膜、吸濕排汗纖維）在滿足這些要求時的優(yōu)劣。3.針對智能運動裝備中廣泛使用的鋰電池（或超級電容）包覆材料，討論其在需要高能量密度、輕量化、良好柔韌性以及優(yōu)異循環(huán)壽命之間的性能權(quán)衡，并提出可能的解決方案或研究方向。試卷答案一、名詞解釋1.生物相容性：指材料與生物體接觸時，能夠和諧共處，不會引起嚴(yán)重的組織損傷、免疫排斥或長期毒性反應(yīng)，是用于可穿戴設(shè)備或植入式設(shè)備的關(guān)鍵性能要求。**解析思路：*定義核心是材料與生物體相互作用的安全性、兼容性。強調(diào)“和諧共處”、“無嚴(yán)重?fù)p傷”、“無排斥毒性”。2.形狀記憶效應(yīng)：某些材料在發(fā)生變形后，當(dāng)受到特定刺激（如溫度、應(yīng)力）時，能夠恢復(fù)到其預(yù)設(shè)的原始形狀或尺寸的性能。**解析思路：*定義核心是“變形后恢復(fù)原狀”，并點明需要“特定刺激”（溫度、應(yīng)力）觸發(fā)。常用于自修復(fù)材料或形狀可調(diào)裝備。3.導(dǎo)電聚合物：一類具有導(dǎo)電能力或可調(diào)控導(dǎo)電性的聚合物材料，可通過摻雜、電化學(xué)等方法改變其導(dǎo)電性能，常用于柔性電子器件、傳感器、電磁屏蔽等領(lǐng)域。**解析思路：*定義核心是“聚合物”+“導(dǎo)電性”。強調(diào)其導(dǎo)電性是“可調(diào)控”的，并提及典型應(yīng)用領(lǐng)域。4.能量收集材料：能夠?qū)h(huán)境中的能量（如振動能、熱能、光能、機械能）轉(zhuǎn)化為電能的材料或裝置，為自供電智能傳感器或設(shè)備提供能量來源。**解析思路：*定義核心是“將環(huán)境能量轉(zhuǎn)電能”。強調(diào)能量來源的多樣性（振動、熱、光、機械）和目的（自供電）。5.Z軸緩沖：指材料或結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊或壓力時，主要在垂直于運動方向（通常指鞋底接觸地面的方向）上吸收能量、提供緩沖性能的能力。**解析思路：*定義核心是“垂直方向吸收能量/提供緩沖”。結(jié)合運動裝備場景（如鞋底），明確是“Z軸”（垂直軸）方向的性能。二、簡答題1.碳纖維復(fù)合材料在高端跑鞋中應(yīng)用的主要優(yōu)勢：輕質(zhì)高強（單位重量強度和剛度極高），有助于減輕跑鞋重量，提高跑步效率；良好的抗疲勞性能，延長鞋底使用壽命；優(yōu)異的耐候性和耐化學(xué)腐蝕性；可根據(jù)需要設(shè)計復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)足底精準(zhǔn)支撐和引導(dǎo)。面臨的挑戰(zhàn)：成本較高，導(dǎo)致跑鞋價格昂貴；材料相對較脆，抗沖擊性不如橡膠，需要與其他材料復(fù)合；吸濕性較差，舒適性和透氣性需要額外設(shè)計配合；加工工藝相對復(fù)雜。**解析思路：*先列出優(yōu)點（輕質(zhì)高強是核心），再列出缺點（成本、脆性、吸濕性、工藝）。結(jié)合跑鞋應(yīng)用場景進(jìn)行分析。2.智能運動裝備中常用的柔性傳感器類型及其工作原理、材料性能要求：*類型：柔性導(dǎo)電纖維（如碳納米管纖維、金屬纖維）、導(dǎo)電聚合物薄膜、介電彈性體傳感器、壓電傳感器、光纖傳感器等。*工作原理：主要通過材料在受到應(yīng)變、壓力、彎曲、濕度變化等外部刺激時，其電阻、電容、電壓、光信號等電學(xué)性質(zhì)發(fā)生可逆變化來感知信號。例如，柔性導(dǎo)電纖維通過拉伸引起電阻變化，壓電材料通過受壓產(chǎn)生電荷等。*材料性能要求：高柔韌性（可彎曲折疊而不損壞）、高靈敏度（刺激對應(yīng)變化明顯）、良好的耐久性（循環(huán)穩(wěn)定性好、耐磨損、耐彎折）、低遲滯效應(yīng)（刺激去除后能恢復(fù)原狀）、與基底材料良好的粘附性、生物相容性（用于可穿戴設(shè)備）。**解析思路：*分類要齊全，原理要簡述核心機制（物理/化學(xué)變化對應(yīng)刺激），性能要求要緊扣柔性傳感器的特點（柔韌、靈敏、耐用、可恢復(fù)、生物兼容）。3.材料的“性能權(quán)衡”：指在材料選擇或設(shè)計過程中，為了滿足某一方面的優(yōu)異性能，往往需要在其他方面的性能上做出妥協(xié)或犧牲的現(xiàn)象。因為沒有任何一種材料是全能的，不同性能之間可能存在內(nèi)在的矛盾或限制。智能運動裝備材料選擇中常見的性能權(quán)衡：例如，追求極致輕量化可能犧牲材料的耐磨性或強度；希望材料具有高回彈性能（如用于緩沖）可能需要犧牲耐疲勞性；需要材料柔韌可拉伸以適應(yīng)身體形態(tài)可能影響其導(dǎo)電穩(wěn)定性或耐久性；追求高性能（如高強度、高導(dǎo)電性）往往伴隨成本的增加。**解析思路：*先解釋定義（顧此失彼），再結(jié)合智能運動裝備具體場景舉例說明（輕與耐磨、彈與疲勞、柔與穩(wěn)定、高性能與成本）。4.泡沫材料耐磨性能測試常用方法及其評價意義：*常用方法：磨盤式耐磨試驗（如馬丁代爾法）、阿克隆磨輪試驗、落錘沖擊磨損試驗、砂布磨損試驗等。選擇哪種方法取決于泡沫材料的類型和預(yù)期應(yīng)用場景。*評價意義：耐磨性能直接關(guān)系到運動裝備（特別是鞋底、護(hù)具）的使用壽命和性能持久性。通過測試可以量化評估材料抵抗摩擦磨損的能力，為材料選擇、配方設(shè)計、產(chǎn)品改進(jìn)提供依據(jù)，確保裝備在實際運動中不易磨損、性能衰減，從而保障用戶體驗和安全。**解析思路：*列舉幾種主流方法，強調(diào)方法選擇需考慮具體情況。重點闡述測試的意義，即評估壽命、指導(dǎo)設(shè)計、保障用戶體驗和安全。5.EVA泡沫作為緩沖材料的原因及其主要性能指標(biāo)：*原因：EVA（乙烯-醋酸乙烯酯共聚物）泡沫具有密度低、緩沖性能適中（能量吸收效率好）、彈性強、耐化學(xué)性較好、易于加工成型且成本相對較低等優(yōu)點。其獨特的分子結(jié)構(gòu)使其在受壓時能有效地吸收沖擊能量，并在去壓后較快恢復(fù)原狀。*主要性能指標(biāo)：密度（決定單位體積的質(zhì)量和緩沖效率）、回彈率/反彈系數(shù)（衡量能量恢復(fù)能力）、壓縮負(fù)荷形變（CLD，表示材料開始有效緩沖的壓力）、壓縮永久變形（CPD，表示壓縮后恢復(fù)能力的耐久性）、垂直/慢回彈（SIR）值（衡量慢速沖擊下的緩沖能力，對跑鞋尤其重要）。**解析思路：*先說明為什么常用（優(yōu)點綜合），再列舉關(guān)鍵性能指標(biāo)，并簡要解釋每個指標(biāo)代表的意義（尤其關(guān)注與緩沖性能直接相關(guān)的指標(biāo)）。三、論述題1.可穿戴心率監(jiān)測設(shè)備關(guān)鍵部件材料選擇對其性能的影響及未來方向：*電極材料：影響信號采集的準(zhǔn)確性（電極-皮膚界面阻抗、生物相容性）、穩(wěn)定性和舒適性。常用銀、金、鉑等貴金屬或其合金，或?qū)щ娋酆衔铩⑻蓟牧?。材料需保證良好的導(dǎo)電性、生物相容性、耐腐蝕性和長期貼附性。未來可能探索更柔性、透明的導(dǎo)電材料，或集成式電極設(shè)計。*傳感器基底材料：影響傳感器的靈敏度、響應(yīng)速度、耐用性和柔性。常用柔性聚合物薄膜（如PI、PET、PDMS）、柔性基底玻璃或金屬箔。材料需提供穩(wěn)定的工作平臺，與電極和傳感器芯片良好兼容，且能適應(yīng)皮膚彎曲。*導(dǎo)電織物材料：用于信號傳輸或作為電極。常用導(dǎo)電紗線（金屬纖維、碳納米管纖維、導(dǎo)電聚合物纖維）與普通纖維混紡制成。影響信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和布料的手感、透氣性、舒適性。材料需保證足夠的導(dǎo)電通路、良好的機械性能和生物相容性。未來可能開發(fā)集成更多功能的智能纖維。*封裝材料：保護(hù)內(nèi)部敏感元件免受環(huán)境影響（濕氣、摩擦、電磁干擾）。常用柔性包裝膜（如TPU）、硅膠或?qū)щ娡繉?。材料需具備良好的阻隔性、柔韌性、耐磨損性、生物相容性及輕薄透明（若需顯示）。*綜合影響：各部件材料的選擇直接決定了設(shè)備的測量精度（心率準(zhǔn)確性）、佩戴舒適度、皮膚友好性（生物相容性）、耐用壽命和整體功能（如是否自供電、是否顯示）。*未來方向：超材料/métamaterials用于增強信號采集；可穿戴能量收集材料（如射頻、動能）實現(xiàn)自供電；生物兼容性更優(yōu)異的材料；可拉伸、可生物降解的材料；多功能集成材料（如同時傳感心率和體溫）。**解析思路：*分解關(guān)鍵部件，逐一分析材料選擇對其核心性能（準(zhǔn)確性、舒適性、耐用性、功能）的影響。結(jié)合材料學(xué)原理進(jìn)行解釋。最后展望未來趨勢，強調(diào)新材料、新結(jié)構(gòu)帶來的可能性。2.智能運動服裝材料性能的核心要求及材料優(yōu)劣分析（以高強度間歇跑、長距離游泳為例）：*高強度間歇跑（HIIT）核心要求：*高透氣性與排汗性：迅速排出汗液，保持皮膚干爽，提升舒適度和散熱效率，防止失溫。*優(yōu)異的彈性和回復(fù)性：模仿肌肉運動，減少束縛感，提高動作幅度和靈活性，運動后服裝能快速恢復(fù)平整，減少水洗褶皺。*良好的抗撕裂性和耐磨性：應(yīng)對快速、爆發(fā)性的運動和可能的外部摩擦。*輕量化：減輕運動負(fù)擔(dān)。*吸濕排汗性（部分區(qū)域）：在核心區(qū)域快速吸收濕氣并傳導(dǎo)至外層蒸發(fā)。*功能性增強：如內(nèi)置傳感導(dǎo)聯(lián)（肌電、心率）、導(dǎo)電纖維（抗干擾）、UV防護(hù)、抗菌防臭等。*材料優(yōu)劣分析：*透氣排汗纖維（如聚酯纖維微孔、美利奴羊毛、竹纖維）：滿足透氣排汗要求，但彈性、抗撕裂性、耐磨性可能不足，需與其他纖維混紡。*高彈性纖維（如氨綸/Lycra/Spandex）：提供極佳的彈性和回復(fù)性，但耐久性相對較差，易堆積，需合理配比。*耐磨損纖維（如尼龍）：提高耐磨性，但透氣性、彈性較差，需與其他纖維復(fù)合。*導(dǎo)電纖維（如碳納米管纖維、金屬纖維）：可用于內(nèi)置傳感或抗電磁干擾，但可能影響透氣性、增加重量，且成本較高。*復(fù)合面料：通過不同纖維的優(yōu)化組合（如聚酯+氨綸+少量尼龍），可以平衡各項性能，滿足HIIT的多重需求。*長距離游泳核心要求：*低水阻性：材料表面光滑，形狀記憶效應(yīng)好，減少水流阻力。*高彈性（四向彈力）：允許身體在水中自由扭曲和伸展，減少束縛感，提高動作效率。*吸濕速干性：盡快吸收少量汗水，保持服裝干爽，減少氯水刺激。*抗氯腐蝕性/耐水性：長期在水中或含氯水中使用不易損壞、褪色。*輕量化：減輕水中浮力負(fù)擔(dān)。*抗菌防臭性：應(yīng)對水中細(xì)菌滋生。*功能性增強：如內(nèi)置GPS、心率監(jiān)測、發(fā)光纖維（夜游）。*材料優(yōu)劣分析：*特殊面料的低阻表面處理（如鯊魚皮紋路模仿）：提供水流順滑性，是關(guān)鍵。*高彈四向纖維（如錦綸彈性纖維）：提供極佳的游泳專項彈力，但需兼顧其他性能。*特殊整理的纖維素纖維（如天絲萊賽爾）：具有良好吸濕性和柔軟度，但抗氯性需加強。*氯丁橡膠（Neoprene）涂層或面料：提供抗氯性和一定浮力，但透氣性差，彈性單一，現(xiàn)已較少用于高性能泳衣。*納米材料涂層：可用于增強低阻、抗菌、自清潔等性能。*復(fù)合面料：結(jié)合低阻表面材料、高彈纖維、吸濕纖維等，打造高性能游泳服。*解析思路：先根據(jù)運動場景提煉核心性能要求。然后針對每一項要求，分析哪些材料能提供這種性能，并比較不同材料的優(yōu)缺點。強調(diào)材料需要組合應(yīng)用以滿足復(fù)雜需求。3.智能運動裝備中鋰電池包覆材料性能權(quán)衡及解決方案（高能量密度、輕量化、柔韌性、長壽命）：*性能權(quán)衡分析：*能量密度vs.輕量化：高能量密度的材料（如鋰鈷氧化物）通常密度較大，而輕量化要求使用低密度材料（如鋰錳氧化物、硅基負(fù)極），兩者存在直接矛盾。*能量密度vs.柔韌性：傳統(tǒng)鋰離子電池的電極材料（如石墨）和結(jié)構(gòu)（層狀結(jié)構(gòu)）相對剛性，難以彎曲，限制了其在柔性設(shè)備中的應(yīng)用。提高能量密度往往伴隨著材料結(jié)構(gòu)變得更復(fù)雜或更難變形。*能量密度vs.長壽命：追求高能量密度的材料體系（如高鎳正極）通常循環(huán)壽命相對較短，而在追求長壽命時可能需要犧牲部分能量密度。*柔韌性vs.耐久性：柔性電池在反復(fù)彎折、拉伸過程中，電極材料容易粉化、界面接觸變差，導(dǎo)致容量衰減、內(nèi)阻增大、循環(huán)壽命縮短。*其他權(quán)衡：輕量化（如使用鋁合金外殼）可能增加成本和重量；提高安全性（如使用固態(tài)電解質(zhì)）可能犧牲部分能量密度或增加成本。*解決方案/研究方向：*材料創(chuàng)新：*開發(fā)新型正負(fù)極材料：如硅基負(fù)極（容量高但體積膨脹大，需解決結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性）、富鋰材料、高電