2025年大學《應用化學》專業(yè)題庫——應用化學在航天航空工業(yè)中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項字母填在題后括號內）1.在航天器結構材料中，為減輕重量同時保持高強度，常采用（）。A.高密度鋁合金B(yǎng).鎂基合金C.鈦合金D.高密度陶瓷復合材料2.液體火箭發(fā)動機中，燃燒室壁面采用陶瓷基復合材料（CMC）的主要原因是其優(yōu)異的（）性能。A.導電B.導熱C.耐高溫D.耐腐蝕3.為提高火箭發(fā)動機噴管喉襯的耐燒蝕性能，常在其表面涂覆（）。A.金屬涂層B.高分子聚合物C.陶瓷熱障涂層D.導電碳材料4.離子推進器利用（）原理產(chǎn)生推力。A.火藥燃燒B.液體燃料燃燒C.電解D.電離和加速離子5.空間環(huán)境中的（）會對航天器表面材料造成嚴重損害，導致材料老化、降解。A.大氣層B.微量氣體C.原子氧D.宇宙射線6.航天器上使用的太陽能電池板主要利用（）效應將光能轉化為電能。A.光電效應B.壓電效應C.熱電效應D.原子核效應7.在空間站等長期在軌設施中，水循環(huán)系統(tǒng)需要利用（）技術進行水的凈化和再生。A.反滲透B.電滲析C.光催化D.蒸發(fā)結晶8.制造輕質、高強度的航天器結構件，復合材料（如碳纖維增強樹脂基體）相比金屬材料的顯著優(yōu)勢在于（）。A.成本更低B.易于回收C.比強度和比模量更高D.加工性能更好9.發(fā)射過程中，火箭箭體與大氣摩擦產(chǎn)生極高溫度，防護材料需要具備（）特性。A.高導電性B.高導熱性C.高耐熱性和低熱膨脹系數(shù)D.高磁性10.用于制造火箭固體燃料推進劑的粘合劑，通常需要具備（）特性。A.高溫分解產(chǎn)生氣體B.高強度粘結能力C.高導電性D.自身具有高燃燒熱二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在題后橫線上）1.應用化學在開發(fā)耐高溫、耐輻照的航天器__________材料方面發(fā)揮著關鍵作用。2.火箭發(fā)動機中，催化劑常用于_______燃燒過程，提高燃燒效率。3.空間真空環(huán)境對材料的_______和_______穩(wěn)定性提出了特殊要求。4.__________是衡量材料抵抗局部變形能力的重要指標，對航天結構件至關重要。5.某些航天器表面涂層需要具備自清潔功能，這通常利用了_______效應。6.離子推進劑中的_______（如氙氣）在電場作用下被電離并加速噴射，產(chǎn)生推力。7.為了減輕發(fā)射重量，航天器部件的_______設計是重要的考慮因素。8.光伏電池的效率與所用半導體材料的_______直接相關。9.航天器水再生系統(tǒng)中，_______技術常用于去除水中的有機污染物。10.高分子材料在航天領域廣泛用作_______、密封件和絕緣材料。三、簡答題（每題5分，共15分）1.簡述原子氧對航天器材料的侵蝕機理及其危害。2.與傳統(tǒng)金屬發(fā)動機相比，固體火箭發(fā)動機在推進劑化學設計上有何特點？3.解釋為何在空間環(huán)境中，材料的輻射防護變得尤為重要。四、論述題（10分）結合具體化學原理或材料，論述應用化學在提高運載火箭發(fā)射效率方面的作用。請從至少兩個方面進行闡述。五、分析題（15分）某新型航天器需要一種在極端溫差（-150°C至+200°C）下仍能保持良好性能的結構材料。請分析在選擇該材料時應考慮哪些關鍵的化學和物理性能指標？并簡要說明這些性能指標背后的化學原理或影響因素。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.C4.D5.C6.A7.A8.C9.C10.B二、填空題1.結構件2.完全3.真空脆化，吸潮4.韌性5.光催化6.惰性氣體7.輕量化8.能帶隙9.光催化10.涂層三、簡答題1.解析思路：原子氧是空間環(huán)境中高反應活性的原子，它會與材料表面的原子（尤其是輕元素如氫、碳、鈹?shù)龋┌l(fā)生反應，破壞材料的化學鍵，導致表面刻蝕、材料損失和性能下降。其危害包括表面粗糙化、質量減輕、力學性能下降、涂層剝落等，嚴重威脅航天器的安全運行。2.解析思路：固體火箭發(fā)動機的推進劑是預先混合好的固體物質，其化學組成和燃燒特性在制造時就已確定。為了提高效率，化學設計通常側重于選擇高能量密度的氧化劑和燃料組分，優(yōu)化燃燒速率（通過顆粒大小、形狀和分布控制），并添加催化劑以降低點火溫度、提高燃燒完全度。3.解析思路：空間輻射包含高能粒子（如質子、重離子、電子）和電磁輻射，這些輻射會與航天器材料中的原子相互作用，引起原子位移、電子激發(fā)、化學鍵斷裂等損傷，導致材料老化、性能劣化甚至失效。因此，選擇具有高原子序數(shù)、高結合能或特殊能級結構（如能吸收特定能量輻射）的材料，或通過摻雜、表面處理等化學手段提高材料的輻射屏蔽能力至關重要。四、論述題解析思路：提高運載火箭發(fā)射效率涉及降低能耗、增加推重比、縮短發(fā)射時間等方面。應用化學在此扮演重要角色：（1）推進劑化學：通過研發(fā)高能量密度的固體或液體推進劑，利用更有效的氧化劑/燃料化學鍵能，或在液體火箭發(fā)動機中開發(fā)高效催化劑以實現(xiàn)完全燃燒和快速燃燒，可以直接提高推力，降低單位推力燃料消耗，從而提升效率。例如，氮化硼基催化劑可用于液氧/液氫推進劑的燃燒。（2）材料輕量化與性能提升：運載火箭結構自重巨大，是效率的關鍵制約因素。應用化學通過設計高性能輕質材料（如碳纖維增強復合材料、鈦合金、高溫合金），在保證足夠強度和剛度（即高比強度、比模量）的前提下，顯著減輕火箭結構重量，從而大幅提高運載能力（即效率）。例如，使用碳纖維復合材料制造火箭箭體和發(fā)動機殼體。（3）熱管理材料與涂層：發(fā)射和飛行中火箭表面溫度極高，高效的熱防護系統(tǒng)對控制溫度、減少能量損失至關重要。應用化學開發(fā)了耐高溫、低熱導率、低發(fā)射率的熱障涂層（如陶瓷基復合材料、碳化硅涂層），有效隔熱，減少結構熱量吸收和氣動加熱損失，間接提升發(fā)動機性能和結構效率。五、分析題解析思路：（1）關鍵性能指標：*寬溫域力學性能：材料在-150°C和+200°C下均需保持足夠的拉伸強度、屈服強度和韌性，以承受結構載荷。這涉及材料的玻璃化轉變溫度（Tg）必須遠低于-150°C，熱分解溫度必須遠高于200°C，且在此溫度范圍內不能發(fā)生脆性轉變。*低熱膨脹系數(shù)（CTE）：極端溫差下，材料的熱膨脹/收縮量要小，以避免因尺寸變化不匹配產(chǎn)生巨大的熱應力，導致結構開裂或失效。材料的化學組成和微觀結構（如晶相、孔隙率）會影響CTE。*熱穩(wěn)定性與抗氧化性：材料在200°C環(huán)境下應能抵抗氧化、分解或與環(huán)境介質發(fā)生不良反應，在-150°C下應穩(wěn)定，防止吸潮或低溫脆化。*疲勞性能：航天器結構常經(jīng)歷多次發(fā)射和入軌/返航過程，材料需具備良好的高周疲勞和低周疲勞性能。*蠕變抗力（高溫）：在200°C持續(xù)載荷作用下，材料應具有較低的蠕變速率，保持長期尺寸穩(wěn)定性和承載能力。*密度：在滿足性能要求的前提下，低密度對減輕結構重量仍然有利。（2）化學原理或影響因素：*力學性能：與材料的化學鍵類型、鍵能、原子排列方式（晶體結構）、缺陷狀態(tài)（位錯、空位等）密切相關。共價鍵強的材料通常硬度高、模量大；金屬鍵的延展性較好；高分子鏈段運動與玻璃化轉變溫度直接相關；晶格畸變和相變影響韌性和強度。*熱膨脹系數(shù)：主要受材料化學鍵的極化強度、原子或分子的尺寸、結構規(guī)整性以及不同熱膨脹系數(shù)的相在材料中的分布情況影響。金屬通常比陶瓷熱膨脹系數(shù)大；高分子熱膨脹系數(shù)最大；選擇不同晶相或進行復合材料設計可調控CTE。*熱穩(wěn)定性與抗氧化性：取決于化學鍵的穩(wěn)定性、材料組成元素的性質以及與環(huán)境中活性物種（如氧氣、水）的反應活性。含有易被氧化的元素（如碳、氫、鋁、鈦）的材料需要通過化學改性（如形成致密氧化膜、添加穩(wěn)定元素）提高抗性。高溫下，材料發(fā)生分解、脫氫、氧化等化學反應的活化能決定了其熱分解溫度。*密度：直接由材料的原子量、原子packingdensity決定。輕質元素