2025年新材料科學(xué)與工程試卷及答案一、單項(xiàng)選擇題（共10題，每題2分，共20分）1.以下哪種材料屬于拓?fù)浣^緣體的典型代表？A.石墨烯B.Bi?Se?C.MAX相（如Ti?SiC?）D.氣凝膠2.鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的核心光吸收層通常采用的材料化學(xué)式為？A.MAPbI?（甲基銨鉛碘）B.LiCoO?C.SiO?D.單晶硅3.形狀記憶合金的“形狀記憶效應(yīng)”主要源于哪種相變？A.固溶體分解B.馬氏體可逆相變C.有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變D.共晶反應(yīng)4.用于固態(tài)鋰電池的氧化物電解質(zhì)中，以下哪種材料具有較高的離子電導(dǎo)率（室溫下＞10??S/cm）？A.Li?La?Zr?O??（LLZO）B.SiO?C.Al?O?D.MgO5.納米材料的“小尺寸效應(yīng)”主要導(dǎo)致其哪項(xiàng)性能顯著變化？A.密度B.熔點(diǎn)C.顏色D.磁導(dǎo)率6.原子層沉積（ALD）技術(shù)的核心特征是？A.高溫下快速沉積厚膜B.基于前驅(qū)體交替吸附的自限性生長(zhǎng)C.僅適用于金屬材料D.沉積速率與前驅(qū)體濃度呈線性關(guān)系7.碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）中，提高纖維與基體界面結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)鍵是？A.增加纖維直徑B.對(duì)纖維表面進(jìn)行氧化或涂層處理C.降低基體粘度D.減少纖維體積分?jǐn)?shù)8.生物可降解高分子材料聚乳酸（PLA）的原料主要來(lái)源于？A.石油裂解B.玉米淀粉發(fā)酵C.煤炭氣化D.天然氣重整9.熱電材料的性能優(yōu)值ZT與以下哪組參數(shù)直接相關(guān)？A.電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)B.彈性模量、泊松比、斷裂韌性C.磁化強(qiáng)度、矯頑力、居里溫度D.介電常數(shù)、損耗因子、擊穿場(chǎng)強(qiáng)10.以下哪種方法最適合制備具有梯度成分的功能梯度材料（FGM）？A.粉末冶金層壓燒結(jié)B.鑄造C.溶液混合澆筑D.氣相沉積二、填空題（共10空，每空2分，共20分）1.拓?fù)洳牧系暮诵奶匦允莀_____，其表面態(tài)電子具有無(wú)耗散傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。2.固態(tài)電解質(zhì)中，硫化物電解質(zhì)（如Li??GeP?S??）的主要缺點(diǎn)是______。3.石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)為_(kāi)_____，其碳原子以______雜化軌道結(jié)合。4.形狀記憶合金的兩種典型類(lèi)型是______基合金（如NiTi）和______基合金（如CuZnAl）。5.金屬有機(jī)框架（MOF）材料的突出優(yōu)勢(shì)是______，廣泛應(yīng)用于氣體存儲(chǔ)領(lǐng)域。6.納米顆粒的表面效應(yīng)導(dǎo)致其表面原子比例隨粒徑減小而______（填“增大”或“減小”）。7.鋰離子電池負(fù)極材料中，硅基材料的理論比容量（約4200mAh/g）遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)石墨（約372mAh/g），但其主要挑戰(zhàn)是______。三、簡(jiǎn)答題（共4題，每題10分，共40分）1.簡(jiǎn)述原子層沉積（ALD）技術(shù)的基本原理，并說(shuō)明其在制備納米薄膜（如半導(dǎo)體器件中的高κ介質(zhì)層）時(shí)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。2.分析碳納米管（CNT）與石墨烯在結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及電學(xué)性能上的主要差異。3.解釋“超材料（Metamaterials）”的定義及其設(shè)計(jì)思想，舉例說(shuō)明其在電磁波調(diào)控中的應(yīng)用。4.簡(jiǎn)述生物可降解高分子材料（如PLA、PGA）的降解機(jī)理，并討論其在醫(yī)用植入器械（如骨釘、手術(shù)縫合線）中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與局限性。四、計(jì)算題（共2題，每題10分，共20分）1.某碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料中，碳纖維體積分?jǐn)?shù)（Vf）為60%，環(huán)氧樹(shù)脂基體的彈性模量（Em）為3GPa，碳纖維的彈性模量（Ef）為230GPa。假設(shè)纖維與基體界面結(jié)合良好，且纖維沿受力方向單向排列，試用混合法則（Voigt模型）計(jì)算該復(fù)合材料的縱向彈性模量（Ec）。若實(shí)際測(cè)試中Ec為138GPa，分析可能的誤差來(lái)源。2.已知某熱電材料的電導(dǎo)率（σ）為5×10?S/m，熱導(dǎo)率（κ）為2W/(m·K)，塞貝克系數(shù)（S）為200μV/K，計(jì)算其性能優(yōu)值ZT（假設(shè)溫度T=300K），并判斷該材料是否具備實(shí)用價(jià)值（通常ZT＞1被認(rèn)為具有實(shí)用潛力）。2025年新材料科學(xué)與工程試卷答案一、單項(xiàng)選擇題1.B（Bi?Se?是典型的拓?fù)浣^緣體，表面存在受拓?fù)浔Ｗo(hù)的狄拉克錐態(tài)）2.A（MAPbI?是有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦的代表，具有優(yōu)異的光吸收和載流子遷移率）3.B（形狀記憶效應(yīng)源于馬氏體相變的可逆性，加熱時(shí)馬氏體逆轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，恢復(fù)原始形狀）4.A（LLZO是石榴石型氧化物電解質(zhì)，室溫離子電導(dǎo)率可達(dá)10?3S/cm，適合固態(tài)電池）5.B（納米材料的小尺寸效應(yīng)導(dǎo)致熔點(diǎn)顯著降低，如金納米顆粒熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于塊體金）6.B（ALD通過(guò)前驅(qū)體交替吸附實(shí)現(xiàn)單原子層控制，具有原子級(jí)厚度精度和高均勻性）7.B（纖維表面處理（如氧化、涂層）可增加表面活性基團(tuán)，改善與基體的化學(xué)鍵合）8.B（PLA由乳酸單體聚合而成，乳酸可通過(guò)玉米淀粉發(fā)酵獲得，屬于可再生資源）9.A（ZT=S2σT/κ，其中S為塞貝克系數(shù)，σ為電導(dǎo)率，κ為熱導(dǎo)率，T為絕對(duì)溫度）10.A（粉末冶金層壓燒結(jié)可通過(guò)控制各層粉末成分，經(jīng)燒結(jié)后形成成分梯度，適用于FGM制備）二、填空題1.表面態(tài)受拓?fù)浔Ｗo(hù)（或“拓?fù)浞瞧接鼓軒ЫY(jié)構(gòu)”）2.對(duì)空氣/水分敏感（易與H?O、O?反應(yīng)生成H?S等有毒氣體）3.二維蜂窩狀晶格；sp24.鎳鈦（NiTi）；銅基（Cu基）5.高比表面積（或“多孔結(jié)構(gòu)可調(diào)”）6.增大7.循環(huán)過(guò)程中體積膨脹（約300%）導(dǎo)致結(jié)構(gòu)粉化，容量衰減快三、簡(jiǎn)答題1.ALD原理：原子層沉積基于前驅(qū)體氣體在基底表面的交替自限性吸附與反應(yīng)。過(guò)程分為兩步：第一步通入前驅(qū)體A，其分子在基底表面飽和吸附（自限性，僅形成單分子層）；第二步通入反應(yīng)氣體B（如H?O、O?），與A的吸附層反應(yīng)生成目標(biāo)薄膜的一個(gè)原子層，同時(shí)釋放副產(chǎn)物。重復(fù)此循環(huán)可精確控制薄膜厚度（每層約0.1nm）。優(yōu)勢(shì)：①厚度精度高（原子級(jí)），適合制備納米級(jí)高κ介質(zhì)層（如HfO?）；②均勻性好，可覆蓋復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)（如芯片通孔）；③溫度低（通常＜300℃），避免基底熱損傷；④成分可控，可制備多元化合物薄膜（如Al?O?-TiO?復(fù)合膜）。2.結(jié)構(gòu)差異：碳納米管是一維管狀結(jié)構(gòu)（由石墨烯片層卷曲而成），直徑約1~100nm，長(zhǎng)度可達(dá)微米級(jí)；石墨烯是二維單層碳原子蜂窩狀晶格，厚度僅0.34nm。力學(xué)性能：兩者理論強(qiáng)度均極高（石墨烯拉伸強(qiáng)度約130GPa，CNT約100GPa），但CNT因存在結(jié)構(gòu)缺陷（如螺旋度、空位），實(shí)際強(qiáng)度低于石墨烯；石墨烯的斷裂韌性略高于CNT。電學(xué)性能：石墨烯是零帶隙半導(dǎo)體，載流子遷移率高達(dá)2×10?cm2/(V·s)（室溫）；CNT的電學(xué)性質(zhì)依賴于卷曲方式（扶手椅型為金屬性，鋸齒型為半導(dǎo)體性），遷移率約1×10?~1×10?cm2/(V·s)，略低于石墨烯。3.超材料定義：通過(guò)人工設(shè)計(jì)的微納結(jié)構(gòu)（單元尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)），賦予材料自然界中不存在的電磁（或聲學(xué)、熱學(xué)）特性（如負(fù)折射率、超分辨率成像）。設(shè)計(jì)思想：突破傳統(tǒng)材料“成分決定性能”的限制，通過(guò)結(jié)構(gòu)調(diào)控實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的精準(zhǔn)控制（如等效介電常數(shù)ε、磁導(dǎo)率μ的人工調(diào)控）。應(yīng)用舉例：超材料吸波體（通過(guò)周期性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)特定頻段電磁波的幾乎全吸收，用于隱身技術(shù)）；超透鏡（利用負(fù)折射率材料突破衍射極限，實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)分辨率成像）。4.降解機(jī)理：生物可降解高分子材料的降解主要通過(guò)水解（主鏈酯鍵、酰胺鍵等在體液中水解斷裂）和酶解（特定酶催化加速鏈斷裂）。以PLA為例，首先發(fā)生非酶水解，長(zhǎng)鏈斷裂為短鏈低聚物，隨后被巨噬細(xì)胞吞噬并通過(guò)三羧酸循環(huán)代謝為CO?和H?O。應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：①可在體內(nèi)逐步降解，避免二次手術(shù)取出（如骨釘）；②力學(xué)性能可調(diào)控（通過(guò)分子量、結(jié)晶度調(diào)整）；③原料可再生（如PLA來(lái)自玉米），環(huán)境友好。局限性：①降解速率與體內(nèi)環(huán)境（pH、酶濃度）相關(guān)，控制難度大；②降解產(chǎn)物（如乳酸）可能引起局部酸性微環(huán)境，導(dǎo)致炎癥；③力學(xué)強(qiáng)度（尤其是早期）低于金屬材料，不適合承重部位。四、計(jì)算題1.縱向彈性模量計(jì)算：根據(jù)Voigt模型（等應(yīng)變假設(shè)），復(fù)合材料縱向彈性模量Ec=Ef·Vf+Em·(1-Vf)。代入數(shù)據(jù)：Ec=230GPa×0.6+3GPa×0.4=138GPa+1.2GPa=139.2GPa。誤差分析：實(shí)際測(cè)試值（138GPa）略低于理論值，可能原因：①纖維與基體界面結(jié)合不完美（存在脫粘或弱界面），導(dǎo)致應(yīng)力傳遞效率降低；②纖維存在取向偏差（非完全單向排列）；③纖維中存在缺陷（如微裂紋、表面損傷），降低了實(shí)際Ef；④基體在固化過(guò)程中產(chǎn)生殘余應(yīng)力，影響整體模量。2.ZT值計(jì)算：ZT=(S2·σ·T)/κ。代入數(shù)據(jù)：S=200μV/