2025年大學《分子科學與工程》專業(yè)題庫——分子智能材料在航空航天中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題3分，共30分。請將正確選項的字母填在括號內(nèi)。）1.下列哪一項不屬于分子智能材料的基本特征？A.自響應性B.可逆性C.永久變形性D.可調(diào)控性2.形狀記憶合金（SMA）實現(xiàn)形狀恢復的主要驅(qū)動機制是？A.化學鍵斷裂B.晶體結(jié)構(gòu)相變C.高能粒子的轟擊D.外加磁場固化3.介電彈性體（DE）材料在受到電場作用時表現(xiàn)出顯著變形，其主要利用了材料的哪種物理效應？A.熱脹冷縮效應B.壓電效應C.霍爾效應D.磁致伸縮效應4.在航空航天領域，用于主動減振降噪的智能材料需要具備哪些關鍵特性？（請選擇兩個正確選項）A.高能量吸收能力B.快速響應性C.恒定阻尼特性D.良好的力學性能保持性5.智能涂層在航空航天器表面應用的主要目的是什么？（請選擇兩個正確選項）A.提高表面光潔度B.實現(xiàn)溫度自調(diào)節(jié)C.增強抗腐蝕能力D.改善氣動外形6.下列哪種分子智能材料最適用于航空航天領域的輕量化結(jié)構(gòu)件自修復應用？A.電活性聚合物B.智能泡沫C.形狀記憶合金D.介電彈性體7.航空航天器在軌運行會面臨高能粒子輻射環(huán)境，這對材料提出了什么挑戰(zhàn)？A.易燃性增加B.長期性能退化C.導電性增強D.熱膨脹系數(shù)變大8.分子智能材料應用于航空航天熱控時，其主要作用方式是？A.通過相變吸收/釋放熱量B.通過改變表面發(fā)射率調(diào)節(jié)輻射熱傳遞C.通過改變材料密度調(diào)節(jié)對流換熱D.通過電阻發(fā)熱實現(xiàn)加熱9.哪種分子智能材料的概念源于對生物肌肉收縮機制的模仿？A.形狀記憶合金B(yǎng).介電彈性體C.電活性聚合物D.智能凝膠10.隨著飛行器速度的增加，氣動加熱問題日益嚴重。智能材料在緩解這一問題方面具有潛力，主要體現(xiàn)在哪些方面？（請選擇兩個正確選項）A.提高材料的耐高溫性能B.實現(xiàn)表面溫度的主動調(diào)節(jié)C.通過材料升華帶走熱量D.增強材料的抗氧化能力二、填空題（每空1分，共10分。請將答案填寫在橫線上。）1.分子智能材料是指能夠感知外界刺激并做出相應__________響應的一類功能材料。2.形狀記憶合金的兩種重要相變分別是馬氏體相變和__________相變。3.介電彈性體在高電場作用下產(chǎn)生的機械響應通常具有__________和可恢復的特點。4.智能材料在航空航天結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，可以通過__________等方式感知結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷。5.電活性聚合物在外加電場作用下能夠產(chǎn)生__________和__________。6.為了滿足航空航天環(huán)境的苛刻要求，智能材料通常需要具備高__________、高__________和良好的抗輻射性能。7.智能涂層通過改變自身熱發(fā)射率來實現(xiàn)溫度自調(diào)節(jié)，這主要利用了材料的__________特性。8.智能泡沫材料在航空航天中可用于制備輕質(zhì)吸能結(jié)構(gòu)，利用了其優(yōu)異的__________能力。9.分子智能材料實現(xiàn)航空航天應用的關鍵在于材料性能與__________需求的精確匹配。10.鑒于分子智能材料研發(fā)成本較高，其在航空航天領域的應用目前多集中于__________和__________等關鍵部件。三、簡答題（每題5分，共20分。請簡要回答下列問題。）1.簡述形狀記憶合金在航空航天領域?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)自適應變形的基本原理。2.比較介電彈性體和傳統(tǒng)減振材料在航空航天減振應用方面的主要區(qū)別和優(yōu)勢。3.簡述分子智能材料應用于航空航天熱控制的主要方式及其各自特點。4.闡述分子智能材料在航空航天領域面臨的挑戰(zhàn)，并列舉至少三種潛在的解決方案。四、論述題（每題15分，共30分。請結(jié)合具體實例，深入分析和論述下列問題。）1.詳細論述電活性聚合物作為驅(qū)動器或執(zhí)行器在航空航天主動控制（如機翼變形、可調(diào)襟翼）中的應用潛力、工作原理以及當前面臨的主要技術挑戰(zhàn)。2.選擇一種你認為是未來在航空航天領域具有最大應用前景的分子智能材料，闡述其基本原理、潛在應用領域（結(jié)合航空航天場景）、優(yōu)勢以及為實現(xiàn)該應用可能需要克服的關鍵科學和工程問題。---試卷答案一、選擇題（每題3分，共30分。請將正確選項的字母填在括號內(nèi)。）1.C*解析思路：分子智能材料的核心特征在于其能夠感知外界刺激（如溫度、電場、光、應力等）并做出可逆的響應。永久變形性通常指普通材料的塑性變形，不具有自恢復或可逆性特征，因此不屬于分子智能材料的本質(zhì)特征。2.B*解析思路：形狀記憶合金的形狀恢復效應源于其內(nèi)部發(fā)生可逆的晶體結(jié)構(gòu)相變（通常是從馬氏體相變回奧氏體相），這個相變伴隨著宏觀形狀的恢復，是形狀記憶效應的根本驅(qū)動力。3.B*解析思路：介電彈性體（DE）材料具有壓電特性，即在施加外部電場時，材料內(nèi)部會產(chǎn)生應力并導致宏觀變形；當電場撤銷時，變形也能恢復。這種電場誘導的機械響應是其核心物理效應，用于主動振動控制等應用。4.A,B*解析思路：主動減振降噪要求材料不僅能吸收振動能量（A），還需要能夠快速響應振動頻率并對振動進行主動控制（B）。恒定阻尼和良好力學性能是基礎要求，但不是主動控制的關鍵特性。5.B,C*解析思路：智能涂層在航空航天中的主要功能包括通過改變表面特性實現(xiàn)溫度自調(diào)節(jié)（B）和增強材料本身的抗腐蝕、抗磨損等防護能力（C）。提高光潔度、改善氣動外形通常不是智能涂層的主要目的。6.C*解析思路：形狀記憶合金（SMA）能夠通過應力誘發(fā)馬氏體相變或在加熱時恢復原狀來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自適應修復或變形，適用于需要自修復功能的結(jié)構(gòu)件。智能泡沫主要用于吸能，電活性聚合物用于驅(qū)動，DE用于傳感/驅(qū)動。7.B*解析思路：高能粒子輻射會導致材料發(fā)生輻射損傷，如原子位移、鍵斷裂、性能劣化等，因此對材料的耐輻射性能要求很高，以維持其在空間環(huán)境中的長期可靠工作。8.B*解析思路：智能熱控涂層通常利用材料的光學特性（特別是紅外發(fā)射率）隨溫度或電場等變化，主動調(diào)節(jié)涂層對環(huán)境的輻射熱交換，從而實現(xiàn)對航天器表面溫度的精確控制。9.C*解析思路：電活性聚合物（EAP）的力學響應和變形行為可以通過電場精確控制，其工作原理與生物肌肉收縮時神經(jīng)信號觸發(fā)肌肉收縮和變形有相似之處，因此常被稱為“人造肌肉”。10.B,D*解析思路：智能材料可以通過主動調(diào)節(jié)表面溫度（如改變發(fā)射率）來緩解氣動加熱（B）。同時，材料的耐高溫性能和抗氧化能力是基礎，確保其在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作（D）。材料升華和增強導電性通常不是緩解氣動加熱的主要方式。二、填空題（每空1分，共10分。請將答案填寫在橫線上。）1.自主2.奧氏體3.可逆4.應變傳感/聲發(fā)射5.機械變形/力6.耐高溫/耐腐蝕7.調(diào)溫/熱控8.能量吸收9.航空航天10.關鍵部件/結(jié)構(gòu)三、簡答題（每題5分，共20分。請簡要回答下列問題。）1.簡述形狀記憶合金在航空航天領域?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)自適應變形的基本原理。*解析思路：形狀記憶合金的基本原理包括兩個關鍵特性：形狀記憶效應和超彈性。當SMA受到外部刺激（如加熱）時，其內(nèi)部發(fā)生從低熵馬氏體相向高熵奧氏體相的可逆相變。相變伴隨著體積和形狀的恢復。在航空航天中，可以通過控制SMA的變形和恢復過程，實現(xiàn)在特定條件下（如溫度變化、應力變化）結(jié)構(gòu)形狀的主動改變或自適應調(diào)整，例如可調(diào)后掠角機翼、自緊固連接件等。2.比較介電彈性體和傳統(tǒng)減振材料在航空航天減振應用方面的主要區(qū)別和優(yōu)勢。*解析思路：區(qū)別在于工作機理和性能。傳統(tǒng)減振材料（如阻尼橡膠、粘彈性材料）主要通過內(nèi)部摩擦耗散振動能量，通常為被動減振。介電彈性體則是一種主動或半主動減振材料，它具有壓電性，在外加電場作用下主動產(chǎn)生形變和應力，能夠直接對目標振動進行抑制或吸收能量。優(yōu)勢在于：1）響應頻率范圍寬；2）能量吸收效率高；3）可實現(xiàn)按需減振（通過控制電場）；4）可能更輕量化。主要應用于需要精確控制或主動抑制振動的場合，如發(fā)動機葉片振動控制。3.簡述分子智能材料應用于航空航天熱控制的主要方式及其各自特點。*解析思路：主要方式包括：1）熱敏電阻/熱電材料：通過材料電阻或塞貝克系數(shù)隨溫度變化，實現(xiàn)溫度傳感或熱電轉(zhuǎn)換（制冷/制熱）；2）變紅外發(fā)射率涂層：利用材料的紅外發(fā)射率隨溫度或電場變化，主動調(diào)節(jié)涂層與外空間的輻射熱交換，實現(xiàn)溫度控制；3）相變材料（PCM）：利用材料在相變點吸收/釋放潛熱，進行溫度緩沖或調(diào)節(jié)；4）形狀記憶合金/電活性聚合物：通過相變或電場誘導的體積/形狀變化，實現(xiàn)熱膨脹/收縮或泵送功能，輔助熱管理。特點：變紅外發(fā)射率方式可實現(xiàn)精確、主動的溫度調(diào)節(jié)；熱敏電阻/熱電方式可同時實現(xiàn)溫度傳感與控制；PCM適用于溫度緩沖；形狀記憶/電活性方式提供新穎的主動熱管理手段。4.闡述分子智能材料在航空航天領域面臨的挑戰(zhàn)，并列舉至少三種潛在的解決方案。*解析思路：挑戰(zhàn)主要包括：1）環(huán)境適應性：極端溫度、壓力、輻射、高速氣流等環(huán)境可能導致材料性能退化；2）可靠性與壽命：智能材料在循環(huán)響應、長期服役下的性能穩(wěn)定性及壽命預測是難題；3）系統(tǒng)集成與控制：將智能材料集成到航空航天結(jié)構(gòu)中，并開發(fā)高效、輕便、可靠的驅(qū)動和控制系統(tǒng)復雜；4）成本與制備：許多智能材料成本高、制備工藝復雜。解決方案：1）材料設計：開發(fā)具有優(yōu)異環(huán)境適應性的新型智能材料，如耐高溫、抗輻射聚合物基復合材料；2）結(jié)構(gòu)集成：研究智能材料與基體材料的界面兼容性，開發(fā)可靠的封裝和集成技術；3）智能系統(tǒng)設計：發(fā)展輕量化、低功耗的傳感、驅(qū)動和控制集成系統(tǒng)，實現(xiàn)智能材料的有效利用；4）優(yōu)化制備：探索低成本、高性能的制備工藝，如微納制造、3D打印技術。四、論述題（每題15分，共30分。請結(jié)合具體實例，深入分析和論述下列問題。）1.詳細論述電活性聚合物作為驅(qū)動器或執(zhí)行器在航空航天主動控制（如機翼變形、可調(diào)襟翼）中的應用潛力、工作原理以及當前面臨的主要技術挑戰(zhàn)。*解析思路：應用潛力：EAP作為驅(qū)動器或執(zhí)行器，可在航空航天結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)輕質(zhì)、靈活的主動變形，用于主動控制，如：1）機翼形態(tài)控制：通過EAP驅(qū)動改變機翼彎度、扭轉(zhuǎn)或后掠角，優(yōu)化升力分布，減阻，或?qū)崿F(xiàn)隱身效果；2）可調(diào)襟翼/縫翼：在飛機起降階段通過EAP主動調(diào)整襟翼/縫翼角度，改善氣動性能；3）振動主動控制：EAP的逆壓電效應可用于產(chǎn)生力或力矩，主動抑制結(jié)構(gòu)振動，如抑制機翼顫振；4）空間結(jié)構(gòu)調(diào)整：用于衛(wèi)星、空間站等結(jié)構(gòu)的姿態(tài)調(diào)整或構(gòu)型變換。工作原理：EAP（如PZT陶瓷、離子聚合物金屬復合材料IPMC等）具有壓電效應，即在施加電場時發(fā)生機械變形，撤去電場后變形可恢復。通過驅(qū)動電路施加電壓，即可驅(qū)動EAP產(chǎn)生預定方向的位移或力，從而驅(qū)動連接的結(jié)構(gòu)發(fā)生變形或運動。當前挑戰(zhàn)：1）性能：現(xiàn)有EAP的響應速度、驅(qū)動位移/力、能量效率、功率密度仍有待提高；2）尺寸與重量：滿足航空航天應用需求的大尺寸、輕量化EAP制備困難；3）可靠性：長期循環(huán)工作下的疲勞壽命、環(huán)境適應性（溫度、輻射）需進一步驗證；4）集成與控制：將EAP高效集成到復雜結(jié)構(gòu)中，并開發(fā)智能、可靠的驅(qū)動與控制系統(tǒng)（包括電源管理、信號處理）是重大技術難題。2.選擇一種你認為是未來在航空航天領域具有最大應用前景的分子智能材料，闡述其基本原理、潛在應用領域（結(jié)合航空航天場景）、優(yōu)勢以及為實現(xiàn)該應用可能需要克服的關鍵科學和工程問題。*解析思路（選擇示例：離子聚合物金屬復合材料IPMC）：IPMC是一種典型的電活性聚合物，通常由聚合物基體、金屬納米線/纖維嵌入其中構(gòu)成，兼具聚合物的柔韌性和金屬的導電性?；驹恚篒PMC利用離子在電場作用下的遷移和電致形變機制。當施加電場時，嵌入聚合物基體中的離子（及溶劑分子）發(fā)生遷移，導致聚合物鏈段運動和基體膨脹/收縮，從而引起材料宏觀變形。在交變電場下，IPMC可產(chǎn)生持續(xù)的振動。潛在應用領域（航空航天）：1）微型撲翼飛行器/仿生飛行器：利用IPMC制作輕質(zhì)、靈活的撲翼，實現(xiàn)高效、安靜的飛行；2）微型無人機傳感器/執(zhí)行器：集成IPMC用于微型無人機的姿態(tài)感知、環(huán)境探測（如氣體離子檢測）和微型執(zhí)行機構(gòu)；3）結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測：利用IPMC的振動響應特性或聲發(fā)射信號，分布式地監(jiān)測大型結(jié)構(gòu)（如機翼、機身）的應力、損傷狀態(tài)；4）可調(diào)微型熱障涂層：通過電場控制IPMC的形變或與熱敏材料結(jié)合，實現(xiàn)涂層微結(jié)構(gòu)或?qū)崧窂降母淖?，主動調(diào)節(jié)傳熱。優(yōu)勢：1）柔性與輕量化：IPMC非常柔韌，密度低，易