2025年大學《應用化學》專業(yè)題庫——應用化學在功能性陶瓷材料中的應用探索考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（本大題共5小題，每小題2分，共10分。在每小題列出的四個選項中，只有一個是符合題目要求的，請將正確選項字母填在題后的括號內。）1.下列哪種制備方法主要利用溶液中的溶膠顆粒通過陳化、脫溶劑化過程形成凝膠骨架，再經(jīng)過干燥和燒結得到陶瓷？A.溶膠-凝膠法B.液相燒結法C.固相反應法D.化學氣相沉積法2.在鐵電陶瓷中，通常通過摻雜引入哪種類型的離子以調節(jié)其鐵電相變溫度和壓電系數(shù)？A.低價陽離子B.高價陽離子C.離子半徑與宿主離子相近的陽離子D.離子半徑與宿主離子差異較大的陽離子3.用于表征陶瓷材料晶體結構，確定物相組成和晶粒尺寸的主要方法是？A.掃描電子顯微鏡（SEM）B.X射線衍射法（XRD）C.紫外-可見光譜（UV-Vis）D.拉曼光譜（Raman）4.對于制備生物相容性陶瓷，以下哪種化學處理方法通常用于改變其表面能和生物活性？A.高溫燒結B.離子交換C.機械研磨D.氣相沉積5.在制備納米陶瓷材料時，采用溶劑熱法的主要優(yōu)勢之一是？A.反應溫度相對較低B.可獲得高純度產(chǎn)物C.設備成本較低D.易于大規(guī)模生產(chǎn)二、填空題（本大題共5空，每空2分，共10分。）6.功能性陶瓷材料通常表現(xiàn)出獨特的______、______、______、______等功能特性。7.摻雜是調控陶瓷材料性能的重要化學手段，通過改變材料的______或引入______，可以實現(xiàn)對陶瓷宏觀性能的精細調控。8.溶膠-凝膠法制備陶瓷，其凝膠化過程通常伴隨著______和______的化學變化。9.為了表征某鐵電陶瓷的微觀形貌和晶體結構，研究人員通常會采用______和______兩種表征技術。10.在開發(fā)用于環(huán)境監(jiān)測的光催化陶瓷時，化學合成過程中對______和______的控制對于獲得目標光催化活性至關重要。三、簡答題（本大題共3小題，每小題5分，共15分。）11.簡述溶膠-凝膠法制備陶瓷的主要步驟及其涉及的化學原理。12.解釋什么是陶瓷材料的晶格缺陷，并說明離子半徑不匹配如何影響陶瓷的力學性能。13.簡述化學氣相沉積（CVD）法制備陶瓷的基本原理及其在制備功能薄膜材料時的主要化學考量。四、計算題（本大題共1小題，共10分。）14.某鈣鈦礦型壓電陶瓷（化學式為ABO3）中，A位為鋇離子（Ba2+），B位為鈦離子（Ti4+）。假設該陶瓷理想晶體結構中，A、B位離子無序度很低。已知該陶瓷的密度為5690kg/m3，摩爾質量分別為Ba=137.33g/mol，Ti=47.87g/mol，O=16.00g/mol。請估算該陶瓷中鈦離子（Ti4+）的摩爾分數(shù)（xBa），并說明計算中隱含的假設。（提示：鈣鈦礦結構中，A、B、O原子個數(shù)比為1:1:3）五、論述題（本大題共1小題，共25分。）15.以一種你熟悉的功能性陶瓷（例如：壓電陶瓷、半導體陶瓷、生物陶瓷或光催化陶瓷）為例，詳細闡述化學在其制備、性能調控以及應用探索中的關鍵作用。請分別從原料選擇與化學合成、化學結構調控（如摻雜、缺陷工程）、表面化學處理以及化學分析方法等方面進行論述，并說明如何通過化學手段解決該材料在特定應用中可能遇到的問題或挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.A2.D3.B4.B5.B二、填空題6.力學；熱學；光學；電學/磁學/生物7.化學組成；化學鍵/價態(tài)/缺陷8.溶劑揮發(fā)；溶質聚合/交聯(lián)9.掃描電子顯微鏡（SEM）；X射線衍射法（XRD）10.反應物化學組成/前驅體；反應條件（溫度、氣氛等）三、簡答題11.答：主要步驟包括：①制備前驅體溶液（如金屬醇鹽、鹽類等，涉及水解、酯化等化學反應）；②溶膠形成（通過水解、縮聚等反應，溶質顆粒分散在溶劑中）；③凝膠化（溶劑緩慢揮發(fā)，溶質顆粒連接形成三維網(wǎng)絡結構，如溶膠-凝膠轉變）；④干燥（去除大部分或全部溶劑）；⑤燒結（高溫下發(fā)生固相反應，去除有機物，形成致密陶瓷）。涉及化學原理：水解、縮聚、脫水、固相反應等。12.答：晶格缺陷是指實際晶體中原子排列偏離理想點陣結構的狀態(tài)，如空位、填隙原子、位錯、亞晶界等。離子半徑不匹配會導致晶格畸變，增加晶格能和形成能。這種畸變會強化鍵合，提高材料的硬度，但可能同時增加脆性，影響材料的斷裂韌性。13.答：CVD基本原理：利用氣體或蒸汽態(tài)前驅體在加熱的基底表面發(fā)生化學反應（如分解、氧化還原等），沉積形成固態(tài)薄膜?；瘜W考量：前驅體選擇（化學穩(wěn)定性、分解溫度、目標元素）；反應動力學與熱力學控制（溫度、壓力、氣氛）；反應副產(chǎn)物控制；薄膜化學成分與均勻性控制；表面形貌與生長機制。四、計算題14.解：設鈦離子摩爾分數(shù)為xBao，則鋇離子摩爾分數(shù)為1-xBao。根據(jù)化學式ABO3，氧離子摩爾分數(shù)為3/(1+1)=1.5?？偰栙|量M=137.33*(1-xBao)+47.87*xBao+16.00*3=137.33+47.87*xBao-137.33*xBao+48.00=185.33-89.46*xBao。根據(jù)密度公式ρ=(M/N_A)*(N_A/V_m)，其中M為摩爾質量，N_A為阿伏伽德羅常數(shù)，V_m為摩爾體積，ρ=M/V_m，故ρ=M/(N_A*(1/(1-xBao)+1/(1)+3/(1.5)))。為簡化，通常假設晶胞體積可近似代表摩爾體積，且忽略離子振動對密度計算的影響。利用理想化假設（如離子完全有序或近似有序，忽略空位等缺陷對平均摩爾體積的影響），并利用密度與摩爾質量的關系進行估算。更精確計算需考慮晶胞參數(shù)和實際缺陷。此處估算思路：利用密度和化學式計算平均摩爾質量，反推摩爾分數(shù)。估算結果xBao≈0.087(或8.7%)。假設：理想鈣鈦礦結構；離子無序度低；忽略缺陷；使用平均摩爾質量計算。實際計算需精確晶胞參數(shù)和缺陷數(shù)據(jù)。五、論述題15.答：以壓電陶瓷（如鋯鈦酸鉛Pb(Zr,Ti)O?）為例，化學在其制備、性能調控及應用探索中起著關鍵作用。1.化學合成與制備：壓電陶瓷通常由化學性質相對穩(wěn)定的金屬氧化物（如PbO,ZrO?,TiO?）通過固相反應制備?；瘜W合成方法的選擇（如傳統(tǒng)的固相法、改進的固相法、溶膠-凝膠法、水熱法等）直接影響粉末的粒徑、形貌、均勻性和純度。例如，溶膠-凝膠法可以制備納米級粉末，提高致密度和性能。原料的選擇和純度至關重要，化學雜質可能導致相變溫度漂移、壓電活性降低甚至產(chǎn)生有害相。2.化學結構調控：通過化學摻雜（如用Nb?O?摻雜形成PZNT，用MnO摻雜等）可以顯著調控壓電陶瓷的相界、相變溫度（Tc）、壓電系數(shù)（d??）、介電常數(shù)（ε?）和矯頑場（Ec）。摻雜元素的化學性質（如離子半徑、價態(tài)）及其與基體的相互作用是調控的關鍵。例如，離子半徑不匹配會引起晶格畸變，從而影響壓電勢的產(chǎn)生。通過化學手段精確控制摻雜濃度和分布，是獲得高性能壓電材料的核心。3.表面化學處理：壓電陶瓷在使用中常需與其他材料（如電極、基板）連接?；瘜W表面處理（如化學蝕刻、表面涂覆、離子注入等）可以改變陶瓷的表面形貌、粗糙度和化學狀態(tài)，從而調控其界面性能，提高機械強度、抑制表面漏電、改善生物相容性（如用于醫(yī)療超聲換能器）或增強與電極的耦合。這些處理涉及表面化學反應和界面化學。4.化學分析方法：為了研究和開發(fā)壓電陶瓷，需要利用各種化學分析手段進行表征。XRD用于確定晶體結構、相組成和晶粒尺寸；SEM/TEM用于觀察微觀形貌、晶粒分布和缺陷；EDS/能譜分析用于元素分布和化學價態(tài)分析；拉曼光譜可提供結構信息；紅外光譜用于化學鍵分析；電化學測試（如C-V曲線、P-E環(huán)）用于評估電性能。這些化學分析為理解材料結構與性能關系、指導材料設計和優(yōu)化提供了依據(jù)。5.應用探索中的化學解決：在特定應用中（如高頻超聲換能器）