2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫(kù)——分子科學(xué)與工程在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題只有一個(gè)最符合題意的選項(xiàng)，請(qǐng)將選項(xiàng)字母填在題后括號(hào)內(nèi)。每小題2分，共20分）1.在航空航天領(lǐng)域，為減輕結(jié)構(gòu)重量同時(shí)保持高強(qiáng)度，碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)異性能主要源于其（）。A.碳纖維的金屬鍵結(jié)構(gòu)B.基體樹脂的高彈性模量C.碳纖維的高比強(qiáng)度和高比模量D.復(fù)合材料界面處的范德華力2.火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管內(nèi)部需要承受極高溫度和壓力，常選用鎳基或鈷基高溫合金，其耐高溫性能主要依賴于（）。A.金屬鍵的強(qiáng)韌性B.晶格結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及合金元素形成的固溶體強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化效果C.表面形成致密氧化膜的能力D.高導(dǎo)熱率快速散熱3.航空器機(jī)翼表面采用超疏水涂層，其主要目的是（）。A.增強(qiáng)抗腐蝕能力B.防止結(jié)冰影響氣動(dòng)性能C.減小飛行阻力，提升燃油效率D.提高表面硬度耐磨損能力4.熱障涂層（TBCs）應(yīng)用于航天器再入大氣層時(shí)，其核心功能是（）。A.直接承受沖擊載荷B.增強(qiáng)材料抗疲勞性能C.隔絕高溫?zé)崃?，保護(hù)下方熱結(jié)構(gòu)D.提高材料的導(dǎo)熱系數(shù)5.在微電子器件制造或航空航天微納結(jié)構(gòu)制備中，分子束外延（MBE）技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于（）。A.制造效率高，成本低B.能夠生長(zhǎng)高質(zhì)量、均勻的薄膜，原子級(jí)精度高C.可批量生產(chǎn)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)D.對(duì)真空環(huán)境要求不高6.為減少航天器在軌運(yùn)行時(shí)與背景輻射的相互作用，選用低原子序數(shù)材料制造敏感元件或屏蔽層，這主要利用了（）原理。A.能量守恒B.庫(kù)侖定律C.輻射屏蔽的軔致輻射效應(yīng)D.相對(duì)論效應(yīng)7.增材制造（3D打?。┘夹g(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)于制造復(fù)雜內(nèi)部冷卻通道或輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有重要意義，這主要得益于其（）。A.高效的批量生產(chǎn)能力B.無(wú)需模具，可制造傳統(tǒng)工藝難以實(shí)現(xiàn)的幾何形狀C.對(duì)材料種類廣泛的適應(yīng)性D.極低的制造成本8.固體潤(rùn)滑劑常用于航空航天領(lǐng)域的軸承、密封件等部位，尤其是在高溫或真空環(huán)境下，其工作機(jī)理主要是（）。A.形成液態(tài)潤(rùn)滑膜B.依靠固體顆粒自身的低摩擦系數(shù)直接接觸潤(rùn)滑C.產(chǎn)生靜電力減少摩擦D.通過(guò)化學(xué)反應(yīng)降低界面能9.航空航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，光纖光柵（FBG）作為傳感器的主要優(yōu)勢(shì)包括（）。A.抗電磁干擾能力強(qiáng)，耐高溫高壓，壽命長(zhǎng)B.傳感精度高，易于實(shí)現(xiàn)分布式傳感C.成本低廉，安裝方便D.可用于多種物理量傳感（溫度、應(yīng)變等）10.提高火箭燃料效率的關(guān)鍵途徑之一是開發(fā)高能量密度的推進(jìn)劑，這通常要求燃料或氧化劑具有（）。A.高熔點(diǎn)B.高熱導(dǎo)率C.高燃燒焓和適宜的燃燒產(chǎn)物D.高穩(wěn)定性（不易自燃）二、填空題（請(qǐng)將正確答案填在橫線上。每空2分，共20分）1.分子間作用力（范德華力）對(duì)薄膜的_附著力_和_表面張力_有重要影響，是決定涂層性能的關(guān)鍵因素之一。2.用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的鋁合金通常通過(guò)_固溶強(qiáng)化_和_時(shí)效強(qiáng)化_來(lái)提高其強(qiáng)度和硬度。3.熱障涂層（TBCs）通常由_陶瓷層_和_粘結(jié)層_組成，兩者協(xié)同工作以實(shí)現(xiàn)隔熱保護(hù)功能。4.原位合成技術(shù)是在材料制備過(guò)程中_同步生成_所需的功能組分或結(jié)構(gòu)，可避免后續(xù)復(fù)合步驟帶來(lái)的缺陷。5.自潤(rùn)滑復(fù)合材料通常由_固體潤(rùn)滑劑_和_基體材料_復(fù)合而成，以實(shí)現(xiàn)低摩擦磨損性能。6.增材制造（3D打印）過(guò)程中，材料的逐層添加和冷卻過(guò)程可能導(dǎo)致_內(nèi)部應(yīng)力_的產(chǎn)生，需要特別注意。7.航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的傳感器需要具備高_(dá)靈敏度_、高_(dá)選擇性_和良好的_穩(wěn)定性_。8.為減少氣動(dòng)阻力，超音速飛機(jī)外形設(shè)計(jì)遵循_流線型_原則，其表面光滑度也受到分子尺度形貌的影響。9.分子識(shí)別技術(shù)在航空航天領(lǐng)域可用于開發(fā)_選擇性吸附_雜質(zhì)或_催化_特定反應(yīng)的材料。10.真空環(huán)境對(duì)材料性能的影響包括_出氣率_增加、_吸氣效應(yīng)_以及某些材料發(fā)生_低溫升華_等。三、名詞解釋（請(qǐng)給出下列名詞的準(zhǔn)確定義。每題3分，共15分）1.比強(qiáng)度2.燒蝕材料3.表面工程4.自組裝5.能量密度四、簡(jiǎn)答題（請(qǐng)簡(jiǎn)明扼要地回答下列問(wèn)題。每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述分子尺度結(jié)構(gòu)（如表面形貌、納米結(jié)構(gòu)）如何影響材料的摩擦磨損性能。2.闡述等離子體處理技術(shù)在改善航空航天材料表面性能方面的作用機(jī)制。3.為什么碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用？其主要局限性是什么？4.簡(jiǎn)述增材制造（3D打?。┘夹g(shù)在制造航空航天部件時(shí)，對(duì)材料選擇提出哪些特殊要求？五、論述題（請(qǐng)圍繞下列主題進(jìn)行論述。每題10分，共20分）1.論述分子設(shè)計(jì)與合成在開發(fā)新型航空航天熱結(jié)構(gòu)材料（如耐高溫陶瓷基復(fù)合材料）中的重要作用。2.結(jié)合具體實(shí)例，論述分子科學(xué)與工程技術(shù)在提升航空航天器能源效率方面的應(yīng)用前景。---試卷答案一、選擇題1.C解析思路：碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)在于其極高的強(qiáng)度和剛度與其較低的密度之比，即比強(qiáng)度和比模量。這是其被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域減輕結(jié)構(gòu)重量的核心原因。2.B解析思路：高溫合金能在極端高溫下工作，主要依靠其穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)以及添加的合金元素（如鉻Cr、鎢W、鉬Mo等）通過(guò)固溶強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化等方式顯著提高其高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能。3.C解析思路：超疏水表面具有極高的接觸角和極低的滾動(dòng)角，能使水滴等液滴幾乎完全滾動(dòng)離開表面，從而有效減少附著的液滴質(zhì)量，降低空氣動(dòng)力學(xué)阻力，提升飛行效率。4.C解析思路：TBCs的核心功能是在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)或再入飛行器表面形成一道熱障，通過(guò)陶瓷層的低導(dǎo)熱系數(shù)和高熔點(diǎn)來(lái)隔絕高溫燃?xì)饣虼髿庠偃氘a(chǎn)生的熱流，保護(hù)昂貴的金屬熱結(jié)構(gòu)不被燒毀。5.B解析思路：MBE是在超高真空環(huán)境下進(jìn)行的物理氣相沉積技術(shù)，分子束直接轟擊基底，生長(zhǎng)速率可控，可以在原子或分子尺度上精確控制薄膜的組分和結(jié)構(gòu)，獲得高質(zhì)量、均勻且純凈的薄膜。6.C解析思路：低原子序數(shù)材料（如氫、氦、碳、硼等）的原子與高能粒子（如宇宙射線、核輻射）相互作用時(shí)，產(chǎn)生的軔致輻射較少，能量損失較小，因此能有效減少輻射對(duì)儀器設(shè)備或生物體的損傷，起到輻射屏蔽作用。7.B解析思路：增材制造的核心特點(diǎn)是無(wú)需模具，可以按需添加材料，自由地構(gòu)建復(fù)雜的三維幾何形狀，包括內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如冷卻通道）和輕量化結(jié)構(gòu)（如點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)），這是傳統(tǒng)制造方法難以實(shí)現(xiàn)的。8.B解析思路：固體潤(rùn)滑劑在高溫或真空環(huán)境下，當(dāng)潤(rùn)滑劑自身處于固態(tài)時(shí)，通過(guò)填充或覆蓋在摩擦表面之間，依靠固體顆粒本身的低摩擦系數(shù)來(lái)減少兩表面間的直接接觸和摩擦，從而實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑。9.A解析思路：光纖光柵傳感器利用光纖材料的溫度或應(yīng)變敏感性，將物理量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的相位變化，其突出優(yōu)點(diǎn)是抗電磁干擾強(qiáng)、耐高溫高壓、信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)、壽命長(zhǎng)，適合惡劣環(huán)境下的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。10.C解析思路：火箭燃料的能量密度通常用單位質(zhì)量或單位體積釋放的能量來(lái)衡量。開發(fā)高能量密度推進(jìn)劑，意味著需要選擇具有高燃燒焓（單位質(zhì)量燃料完全燃燒釋放的熱量）的燃料和氧化劑，并確保燃燒過(guò)程迅速、完全，同時(shí)產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物具有合適的比沖（衡量推進(jìn)劑效率的指標(biāo)）。二、填空題1.附著力解析思路：涂層能否牢固地附著在基體材料上，直接關(guān)系到其是否能有效發(fā)揮作用。分子間作用力是決定材料表面能和界面結(jié)合強(qiáng)度的基礎(chǔ)因素。2.固溶強(qiáng)化時(shí)效強(qiáng)化解析思路：鋁合金的強(qiáng)化通常通過(guò)引入溶質(zhì)原子到基體晶格中（固溶強(qiáng)化）以及通過(guò)控制加熱和冷卻過(guò)程使溶質(zhì)原子偏聚（時(shí)效強(qiáng)化）來(lái)提高其強(qiáng)度和硬度。3.陶瓷層粘結(jié)層解析思路：典型的TBCs結(jié)構(gòu)包括直接接觸高溫燃?xì)?、具有高隔熱性能但與金屬基體結(jié)合力稍弱的陶瓷頂層，以及負(fù)責(zé)將陶瓷層的熱量和應(yīng)力傳遞給金屬基體的粘結(jié)層。4.同步生成解析思路：原位合成技術(shù)是指在材料合成或加工的同一個(gè)過(guò)程中，在目標(biāo)材料的內(nèi)部或界面處直接生成所需的功能組分或結(jié)構(gòu)，避免了傳統(tǒng)方法中功能組分與基體分離可能引入的界面缺陷。5.固體潤(rùn)滑劑基體材料解析思路：自潤(rùn)滑復(fù)合材料是由作為潤(rùn)滑功能的固體潤(rùn)滑劑顆粒（如石墨、二硫化鉬）分散在金屬或高分子基體中組成的復(fù)合材料，利用固體潤(rùn)滑劑的低摩擦特性實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑。6.內(nèi)部應(yīng)力解析思路：增材制造過(guò)程中，材料逐層沉積和快速冷卻會(huì)導(dǎo)致層與層之間、以及材料與基底之間產(chǎn)生熱應(yīng)力，如果應(yīng)力過(guò)大或累積，可能引起零件變形甚至開裂。7.靈敏度選擇性穩(wěn)定性解析思路：一個(gè)好的傳感器必須能夠敏銳地感知被測(cè)量的微小變化（高靈敏度），并且只對(duì)目標(biāo)量響應(yīng)而受其他無(wú)關(guān)量干擾小（高選擇性），同時(shí)在工作環(huán)境和時(shí)間范圍內(nèi)性能保持穩(wěn)定。8.流線型解析思路：流線型外形能夠使氣流平穩(wěn)地流過(guò)飛機(jī)或航天器表面，減小空氣阻力（尤其是壓差阻力），從而降低飛行所需能量，提高燃油效率或增加有效載荷。9.選擇性吸附催化解析思路：分子識(shí)別技術(shù)利用分子間特異性相互作用（如鍵合識(shí)別、模板識(shí)別），使材料能夠選擇性地吸附目標(biāo)分子、催化特定化學(xué)反應(yīng)或與其他分子識(shí)別元件結(jié)合，這在傳感器、分離膜、藥物遞送等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。10.出氣率吸氣效應(yīng)低溫升華解析思路：真空環(huán)境對(duì)材料的主要影響包括：材料內(nèi)部?jī)?chǔ)存的氣體（出氣率）會(huì)逐漸釋放出來(lái)污染真空環(huán)境或儀器；材料表面可能吸收真空中的氣體或蒸氣（吸氣效應(yīng)）；某些材料在低溫下可能直接從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)（低溫升華），影響器件性能和真空度。三、名詞解釋1.比強(qiáng)度：指材料強(qiáng)度（通常指抗拉強(qiáng)度）與其密度之比，是衡量材料輕質(zhì)高強(qiáng)性能的重要指標(biāo)，在航空航天領(lǐng)域尤為重要。2.燒蝕材料：指在高溫、高速（如再入大氣層）環(huán)境下，通過(guò)吸收大量熱量使自身發(fā)生熔化、汽化或化學(xué)反應(yīng)，從而帶走熱量、保護(hù)下方結(jié)構(gòu)的一種特殊功能材料。3.表面工程：利用物理、化學(xué)等方法改變材料表面層（幾納米到幾微米）的成分、組織結(jié)構(gòu)和性能，以獲得所需表面特性和功能的工程技術(shù)。4.自組裝：指分子、納米顆?；蛭⒚壮叨冉Y(jié)構(gòu)單元在驅(qū)動(dòng)力（如熱能、化學(xué)能、范德華力等）作用下，無(wú)需外部精密操控，自發(fā)地形成有序或無(wú)序結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象或過(guò)程。5.能量密度：指單位質(zhì)量或單位體積的燃料、材料或器件所儲(chǔ)存或能轉(zhuǎn)換的能量，是衡量能源或材料高能效的重要參數(shù)。四、簡(jiǎn)答題1.解析思路：分子尺度結(jié)構(gòu)通過(guò)影響表面形貌（如粗糙度、缺陷）、界面結(jié)合強(qiáng)度、材料內(nèi)部微觀應(yīng)力分布和潤(rùn)滑膜形成狀態(tài)等來(lái)調(diào)控摩擦磨損。例如，超疏水/超疏油表面能排斥潤(rùn)滑劑，增加干摩擦；納米顆粒嵌入表面可充當(dāng)磨粒，降低摩擦；均勻的納米結(jié)構(gòu)可能提供儲(chǔ)存能的位錯(cuò)源，促進(jìn)塑性變形而非疲勞斷裂，從而降低磨損。2.解析思路：等離子體是部分電離的氣體，含有高能離子、電子、激發(fā)態(tài)原子和自由基等活性粒子。等離子體處理通過(guò)這些活性粒子與材料表面發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)：例如，用等離子體清洗去除表面污染物，提高后續(xù)涂層的附著力；用等離子體刻蝕精確形成微納結(jié)構(gòu)；用等離子體改性表面化學(xué)狀態(tài)（如引入含氧官能團(tuán)），改善潤(rùn)滑性、生物相容性或抗腐蝕性；用低溫等離子體沉積功能薄膜（如氮化膜、類金剛石碳膜）。3.解析思路：碳纖維復(fù)合材料因其極高的比強(qiáng)度和比模量（輕而強(qiáng)、硬而韌）、優(yōu)異的抗疲勞性能、良好的抗腐蝕性和可設(shè)計(jì)性，成為制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、火箭殼體、衛(wèi)星部件等的首選材料，有效減輕了結(jié)構(gòu)重量，提高了有效載荷和燃油效率。主要局限性包括：成本較高、抗沖擊韌性相對(duì)金屬較差（易分層）、尺寸穩(wěn)定性受環(huán)境（濕度、溫度）影響較大、修復(fù)困難、是可燃材料。4.解析思路：增材制造對(duì)材料的選擇要求很高，主要包括：①熔融成型性（如粉末可熔化、絲材可熔融擠出、液體可固化），要求材料有合適的熔點(diǎn)范圍和流動(dòng)性；②化學(xué)穩(wěn)定性（耐高溫、耐腐蝕，尤其是在目標(biāo)服役環(huán)境）；③材料性能的可預(yù)測(cè)性（打印后的力學(xué)性能、熱性能等應(yīng)可預(yù)測(cè)并與設(shè)計(jì)要求匹配）；④微觀結(jié)構(gòu)可控性（材料應(yīng)能形成致密、無(wú)缺陷的微觀結(jié)構(gòu)，或滿足特定功能所需的內(nèi)部結(jié)構(gòu)）；⑤成本效益（材料價(jià)格應(yīng)考慮制造效率和應(yīng)用價(jià)值）；⑥環(huán)保性（材料加工過(guò)程應(yīng)盡量減少?gòu)U棄物和污染）。五、論述題1.解析思路：分子設(shè)計(jì)從原子和分子層面出發(fā)，通過(guò)計(jì)算模擬、理論設(shè)計(jì)或?qū)嶒?yàn)合成，精確調(diào)控材料的化學(xué)組成、分子結(jié)構(gòu)和微觀形貌，以獲得滿足特定航空航天應(yīng)用需求的性能。例如，針對(duì)高溫環(huán)境，設(shè)計(jì)具有高熔點(diǎn)、穩(wěn)定晶格結(jié)構(gòu)、適量合金元素增強(qiáng)高溫強(qiáng)度的陶瓷基體或金屬基體；針對(duì)輕質(zhì)高強(qiáng)要求，設(shè)計(jì)具有高比強(qiáng)度比模量的纖維（如碳纖維、硼纖維）或復(fù)合材料體系；針對(duì)耐磨自潤(rùn)滑，設(shè)計(jì)固體潤(rùn)滑劑與基體相容性良好、界面結(jié)合緊密的復(fù)合材料；針對(duì)功能化需求，設(shè)計(jì)具有特定表面化學(xué)性質(zhì)（如超疏水、抗輻照）或內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如多孔、梯度）的材料。分子合成則為這些設(shè)計(jì)提供了實(shí)現(xiàn)途徑，不斷涌現(xiàn)的新型合成方法（如原位合成、自組裝）使得開發(fā)性能更優(yōu)異、功能更特殊的航空航天材料成為可能。2.解析思路：分子科學(xué)與工程技術(shù)在提升航空航天器能源效率方面展現(xiàn)出巨大潛力。首先，在推進(jìn)系統(tǒng)領(lǐng)域，通過(guò)分子設(shè)計(jì)合成高能量密度的新型燃料和氧化劑，以及高效的催化劑，可以提高火箭和發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比和比沖，減少燃料消耗。材料方面，開