安徽大學(xué)2025年材料科學(xué)與工程（功能材料）試驗(yàn)班材料科學(xué)與工程畢業(yè)論文選題試題及答案考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、請(qǐng)結(jié)合當(dāng)前功能材料領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，闡述你對(duì)開(kāi)發(fā)新型XXX（例如：高效太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換材料、高靈敏度氣體傳感材料、可用于腦機(jī)接口的生物兼容性智能材料等）材料的認(rèn)識(shí)，并據(jù)此提出一個(gè)具體的、具有研究潛力的畢業(yè)論文題目。二、現(xiàn)有XXX（例如：鋰離子電池正極材料、高溫合金、聚合物薄膜等）材料在某某性能（例如：循環(huán)壽命、耐高溫性、光學(xué)透明度等）方面存在不足，限制了其更廣泛的應(yīng)用。請(qǐng)分析其主要限制因素，并提出至少兩種不同的材料設(shè)計(jì)或改性策略來(lái)改善該性能，并說(shuō)明你傾向于選擇其中哪一種策略進(jìn)行深入研究，理由是什么，以及你設(shè)想的研究?jī)?nèi)容。三、簡(jiǎn)述計(jì)算模擬方法（如DFT、MD、第一性原理計(jì)算等）在功能材料的設(shè)計(jì)與性能預(yù)測(cè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。請(qǐng)選擇一種你感興趣的功能材料（例如：鈣鈦礦、金屬有機(jī)框架MOF、自修復(fù)材料等），說(shuō)明利用計(jì)算模擬研究其某項(xiàng)關(guān)鍵性能（例如：電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)特性、力學(xué)行為、催化活性等）的思路，并設(shè)想可能的研究步驟。四、請(qǐng)論述材料基因組計(jì)劃（MaterialsGenomeInitiative）的理念及其對(duì)加速功能材料創(chuàng)新的重要性。選擇一種你熟悉的材料體系，分析采用高通量計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究該體系性能優(yōu)化的可行性與潛在挑戰(zhàn)。五、某研究團(tuán)隊(duì)提出了一種制備XXX（例如：梯度功能材料、多孔結(jié)構(gòu)材料、復(fù)合雜化材料等）的新方法。請(qǐng)就該方法的原理、預(yù)期性能及其潛在應(yīng)用進(jìn)行評(píng)述，并指出該方法可能存在的局限性或需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方。六、結(jié)合實(shí)例，說(shuō)明功能材料在解決環(huán)境問(wèn)題（如污染治理、能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換、碳減排等）方面的重要作用。請(qǐng)選擇一個(gè)具體的環(huán)境應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)一個(gè)基于功能材料的技術(shù)方案，闡述其工作原理、材料選擇依據(jù)以及預(yù)期效果。七、請(qǐng)比較傳統(tǒng)材料研究方法與基于人工智能的材料發(fā)現(xiàn)方法（如機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等）在功能材料開(kāi)發(fā)方面的異同。你認(rèn)為這兩種方法未來(lái)會(huì)如何發(fā)展，并舉例說(shuō)明它們?nèi)绾螀f(xié)同工作以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的材料設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。試卷答案一、認(rèn)識(shí)：新型XXX材料通常具有獨(dú)特的物理或化學(xué)性質(zhì)，是推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。例如，高效太陽(yáng)能電池材料需關(guān)注光吸收、電荷分離與傳輸效率；氣體傳感材料需關(guān)注對(duì)目標(biāo)氣體的高選擇性、高靈敏度及快速響應(yīng)恢復(fù)能力；生物兼容性智能材料需關(guān)注生物相容性、信號(hào)響應(yīng)性及功能性。開(kāi)發(fā)此類材料需要多學(xué)科交叉，涉及合成化學(xué)、材料物理、器件工程等。論文題目示例：基于XXX（如二維材料異質(zhì)結(jié)、鈣鈦礦量子點(diǎn)等）的XXX（如可見(jiàn)光催化降解有機(jī)污染物、高選擇性檢測(cè)XX氣體）材料的設(shè)計(jì)與性能研究。解析思路：本題旨在考察學(xué)生對(duì)功能材料領(lǐng)域前沿動(dòng)態(tài)的把握和選題的切入點(diǎn)。首先，學(xué)生需展現(xiàn)對(duì)所選XXX材料類別的理解，并能結(jié)合當(dāng)前研究熱點(diǎn)（如高效、智能、綠色等）提出具體的研究方向。其次，要能夠從基礎(chǔ)材料層面思考如何實(shí)現(xiàn)特定功能，提出明確的材料設(shè)計(jì)理念或目標(biāo)。最后，將材料設(shè)計(jì)與性能研究相結(jié)合，提出一個(gè)具體、可操作、具有研究?jī)r(jià)值的論文題目。關(guān)鍵在于體現(xiàn)學(xué)生不僅了解材料，還能思考如何通過(guò)材料設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)特定功能，并具備初步的科研規(guī)劃能力。二、主要限制因素分析示例（以鋰離子電池正極材料循環(huán)壽命為例）：主要限制因素包括活性物質(zhì)粉體的結(jié)構(gòu)在充放電過(guò)程中的不可逆坍塌、顆粒開(kāi)裂、鋰枝晶生長(zhǎng)、電解液分解副反應(yīng)等。材料設(shè)計(jì)或改性策略示例：1.結(jié)構(gòu)調(diào)控策略：通過(guò)納米化（減小顆粒尺寸）、復(fù)合化（如與導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑復(fù)合）、構(gòu)建多級(jí)孔結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)核殼結(jié)構(gòu)等手段，增強(qiáng)材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，改善離子和電子傳輸路徑。2.表面改性策略：通過(guò)表面包覆（如Al?O?,ZrO?,LiF等）、元素?fù)诫s（如過(guò)渡金屬元素）等方式，抑制表面副反應(yīng)，穩(wěn)定SEI膜，減輕顆粒界面應(yīng)力。傾向于選擇策略：選擇結(jié)構(gòu)調(diào)控策略，理由是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是影響循環(huán)壽命的根本因素，且納米化等手段對(duì)提升倍率性能和能量密度通常也有積極作用。設(shè)想的研究?jī)?nèi)容：合成具有特定納米結(jié)構(gòu)的XXX正極材料，系統(tǒng)研究其結(jié)構(gòu)演變與循環(huán)性能的關(guān)系，通過(guò)形貌控制、熱處理工藝優(yōu)化等手段提升其循環(huán)穩(wěn)定性，并分析其電化學(xué)儲(chǔ)能機(jī)理。解析思路：本題考察學(xué)生分析材料性能瓶頸和提出解決方案的能力。首先，要能準(zhǔn)確識(shí)別影響XXX材料特定性能（如循環(huán)壽命）的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。其次，能夠基于材料科學(xué)的基本原理，提出至少兩種具有物理或化學(xué)依據(jù)的改進(jìn)策略，并能闡述其作用機(jī)制。再次，要能進(jìn)行比較和判斷，選擇其中一種策略進(jìn)行深入研究，并圍繞該策略構(gòu)建設(shè)想的研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)。這體現(xiàn)了學(xué)生運(yùn)用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的思路和能力。三、計(jì)算模擬方法應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：計(jì)算模擬方法能夠從原子或分子層面揭示材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，提供實(shí)驗(yàn)難以直接觀測(cè)的信息，如電子結(jié)構(gòu)、原子振動(dòng)模式、相變過(guò)程等；可以模擬極端條件（高溫、高壓、真空等），彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)條件的限制；計(jì)算成本相對(duì)可控，且易于進(jìn)行大規(guī)模并行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)高通量篩選；能夠與實(shí)驗(yàn)相互印證，加速實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)程。選擇材料與性能研究思路示例（以MOF光學(xué)特性為例）：選擇MOF材料。利用計(jì)算模擬研究其光學(xué)特性（如紫外-可見(jiàn)吸收光譜、熒光發(fā)射光譜）的思路：首先，通過(guò)第一性原理計(jì)算構(gòu)建MOF的精確晶體結(jié)構(gòu)模型；其次，計(jì)算MOF的電子結(jié)構(gòu)，特別是價(jià)帶和導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)，以確定其吸收邊；然后，計(jì)算MOF的激發(fā)態(tài)性質(zhì)，預(yù)測(cè)其熒光發(fā)射波長(zhǎng)和強(qiáng)度；最后，分析影響其光學(xué)特性的關(guān)鍵因素，如金屬節(jié)點(diǎn)、配體種類與連接方式、孔道環(huán)境等?？赡艿难芯坎襟E：建立目標(biāo)MOF的初始結(jié)構(gòu)模型->進(jìn)行幾何優(yōu)化和電子結(jié)構(gòu)計(jì)算->計(jì)算基態(tài)和激發(fā)態(tài)性質(zhì)->分析計(jì)算結(jié)果，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比->修改結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系->總結(jié)規(guī)律，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)建議。解析思路：本題考察學(xué)生對(duì)計(jì)算模擬方法的理解及其在功能材料研究中的應(yīng)用能力。首先，要能闡述計(jì)算模擬相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)勢(shì)。其次，要能選擇一個(gè)具體的材料體系（如MOF）和性能（如光學(xué)特性），并清晰描述利用計(jì)算模擬研究該性能的基本原理和流程。這包括選擇合適的計(jì)算方法、明確計(jì)算步驟以及分析關(guān)鍵影響因素。最后，設(shè)想的研究步驟應(yīng)體現(xiàn)從模型構(gòu)建到性能預(yù)測(cè)，再到結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系分析的科學(xué)探究過(guò)程。四、材料基因組計(jì)劃理念：材料基因組計(jì)劃旨在通過(guò)整合計(jì)算模擬、理論預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)表征，建立材料結(jié)構(gòu)、性能和工藝之間的快速映射關(guān)系，從而加速新材料的發(fā)現(xiàn)、設(shè)計(jì)和合成過(guò)程，縮短研發(fā)周期。重要性：對(duì)功能材料創(chuàng)新的重要性體現(xiàn)在：能夠快速篩選大量候選材料，提高發(fā)現(xiàn)高性能新材料的效率；有助于理解復(fù)雜的材料構(gòu)效關(guān)系，指導(dǎo)材料理性設(shè)計(jì)；能夠預(yù)測(cè)材料性能，減少盲目實(shí)驗(yàn)，降低研發(fā)成本；推動(dòng)跨學(xué)科合作，促進(jìn)計(jì)算材料科學(xué)的發(fā)展。可行性與潛在挑戰(zhàn)分析示例（以催化劑為例）：可行性：計(jì)算模擬可以快速預(yù)測(cè)多種模型催化劑的活性、選擇性；高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)（如微流控、自動(dòng)化合成）可以高通量制備和篩選材料。潛在挑戰(zhàn)：計(jì)算模擬結(jié)果的精度受理論方法和計(jì)算資源的限制；實(shí)驗(yàn)合成新材料的多樣性和可控性仍面臨挑戰(zhàn)；建立計(jì)算預(yù)測(cè)模型需要大量高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐；數(shù)據(jù)整合、分析和挖掘需要強(qiáng)大的計(jì)算能力和有效的算法。解析思路：本題考察學(xué)生對(duì)材料基因組計(jì)劃理念及其應(yīng)用的宏觀把握。首先，要能準(zhǔn)確闡述材料基因組計(jì)劃的核心思想。其次，要能論述其在加速功能材料創(chuàng)新方面的具體作用和意義。再次，要能選擇一個(gè)具體的功能材料領(lǐng)域（如催化劑），分析采用計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合方法研究該領(lǐng)域的可行性，并指出可能面臨的理論、實(shí)驗(yàn)或數(shù)據(jù)整合等挑戰(zhàn)。這體現(xiàn)了學(xué)生從宏觀理念到具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行思考和分析的能力。五、評(píng)述示例（以梯度功能材料為例）：制備原理：通常通過(guò)梯度凝固、梯度滲透、分層沉積、自組裝等方法，實(shí)現(xiàn)材料成分、結(jié)構(gòu)或性能沿某一方向或特定區(qū)域的連續(xù)或階躍變化。預(yù)期性能：梯度功能材料能夠?qū)崿F(xiàn)界面性能的匹配與過(guò)渡，減少應(yīng)力集中，提高材料的耐疲勞性、耐磨性、抗腐蝕性或?qū)崿F(xiàn)特定的光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)梯度效應(yīng)。潛在應(yīng)用：例如，在航空航天領(lǐng)域用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，實(shí)現(xiàn)高溫耐熱性與低溫韌性之間的過(guò)渡；在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域用于制造骨植入材料，實(shí)現(xiàn)與人體骨骼成分和性能的漸變匹配；在光學(xué)領(lǐng)域用于制造漸變折射率透鏡或波導(dǎo)。局限性或改進(jìn)地方：制備工藝通常復(fù)雜，成本較高；梯度層的均勻性和梯度范圍的控制難度大；材料性能的梯度分布與實(shí)際服役需求的匹配度需要精確設(shè)計(jì)。改進(jìn)方向：開(kāi)發(fā)更簡(jiǎn)單、低成本、高精度的梯度材料制備技術(shù)；深入研究梯度結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論，實(shí)現(xiàn)更精確的性能調(diào)控；探索梯度材料在更復(fù)雜工況下的長(zhǎng)期性能和失效機(jī)制。解析思路：本題考察學(xué)生對(duì)新興材料制備方法及其應(yīng)用的了解和分析評(píng)價(jià)能力。首先，要能清晰描述所選材料制備方法的原理。其次，要能基于該原理，闡述其預(yù)期的獨(dú)特性能優(yōu)勢(shì)。再次，要能結(jié)合實(shí)例，說(shuō)明其在特定領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值。最后，要能客觀分析該制備方法存在的局限性，并就如何改進(jìn)提出合理的建議。這體現(xiàn)了學(xué)生不僅了解材料本身，還能對(duì)其制備工藝、性能特點(diǎn)和應(yīng)用前景進(jìn)行全面思考的能力。六、功能材料在解決環(huán)境問(wèn)題方面的重要作用示例（以污染治理為例）：功能材料如吸附劑（活性炭、生物炭、樹(shù)脂、MOF等）、光催化劑（TiO?、ZnO等）、膜材料（反滲透膜、納濾膜等）、催化劑等，在水污染（如有機(jī)物、重金屬去除）、大氣污染（如NOx、VOCs吸附或降解）、土壤修復(fù)等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。技術(shù)方案設(shè)計(jì)示例（以城市水體黑臭治理為例）：技術(shù)方案：構(gòu)建基于光催化-生物修復(fù)聯(lián)用系統(tǒng)。工作原理：利用設(shè)計(jì)的具有高效光催化降解有機(jī)污染物能力的TiO?等光催化材料，在光照下將水體中的黑臭物質(zhì)（如氨氮、有機(jī)物）降解為無(wú)害小分子；同時(shí)，在光催化材料的表面或附近構(gòu)建生物膜，利用微生物的代謝活動(dòng)進(jìn)一步降解殘留污染物，并恢復(fù)水體生態(tài)功能。材料選擇依據(jù)：選擇TiO?作為光催化劑，因其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、光催化活性高、成本較低。選擇合適的載體（如活性炭、生物炭）負(fù)載TiO?，以提高其比表面積和穩(wěn)定性。選擇能夠耐受污染物毒性、在光催化體系下生長(zhǎng)良好的微生物構(gòu)建生物膜。預(yù)期效果：有效去除城市水體中的致黑致臭污染物，顯著改善水體感官指標(biāo)（色度、嗅閾值）；降低COD、氨氮等主要污染物濃度，使水質(zhì)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)或景觀用水要求；逐步恢復(fù)水體中的溶解氧和生物多樣性。解析思路：本題考察學(xué)生將功能材料知識(shí)應(yīng)用于解決實(shí)際環(huán)境問(wèn)題的能力。首先，要能列舉功能材料在環(huán)境領(lǐng)域的典型應(yīng)用實(shí)例，并說(shuō)明其作用機(jī)制。其次，要能針對(duì)一個(gè)具體的環(huán)境問(wèn)題（如城市水體黑臭治理），設(shè)計(jì)一個(gè)包含功能材料的技術(shù)方案。這需要學(xué)生將多種功能材料或技術(shù)（如光催化、吸附、生物修復(fù)）結(jié)合起來(lái)。再次，要能闡述方案的工作原理，并說(shuō)明選擇特定功能材料作為核心組件的依據(jù)。最后，要能設(shè)定合理的預(yù)期效果。這體現(xiàn)了學(xué)生知識(shí)整合、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和解決復(fù)雜環(huán)境問(wèn)題的綜合能力。七、傳統(tǒng)材料研究方法與基于人工智能的材料發(fā)現(xiàn)方法的異同：相同點(diǎn)：都旨在發(fā)現(xiàn)和開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異性能的新材料；都依賴于對(duì)材料結(jié)構(gòu)、性能數(shù)據(jù)的積累和分析；都追求提高材料研發(fā)效率。不同點(diǎn)：傳統(tǒng)方法主要依賴實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)和經(jīng)驗(yàn)積累，周期長(zhǎng)、成本高、效率低；人工智能方法利用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，從海量數(shù)據(jù)中挖掘規(guī)律，預(yù)測(cè)材料性能，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，有望大幅縮短研發(fā)周期、降低成本。未來(lái)發(fā)展：傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究仍是基礎(chǔ)，但將更加聚焦于驗(yàn)證AI預(yù)測(cè)、探索新體系；AI材料發(fā)現(xiàn)方法將不斷發(fā)展和完善算法，提高預(yù)測(cè)精度和泛化能力；兩者將深度融合，形成“AI指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)-實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)”的閉環(huán)研發(fā)模式；AI將擴(kuò)展到材料設(shè)計(jì)、合成工藝優(yōu)化、性能模擬、失效分析等更多環(huán)節(jié)。協(xié)同工作示例：AI預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)一系列具有高鋰離子擴(kuò)散系數(shù)的鎳錳合金結(jié)構(gòu)；實(shí)驗(yàn)合成并驗(yàn)