2025年材料科普知識競賽考試題庫題(附答案)一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共30題）1.以下哪種材料屬于典型的形狀記憶合金？A.銅鋅鋁合金B(yǎng).不銹鋼C.鈦合金D.鎂合金答案：A2.高分子材料中，“PE”代表的是？A.聚乙烯B.聚氯乙烯C.聚丙烯D.聚苯乙烯答案：A3.碳化硅（SiC）陶瓷的主要特性不包括？A.高硬度B.耐高溫C.良好的導(dǎo)電性D.耐化學(xué)腐蝕答案：C4.石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)是？A.三維立方晶格B.二維蜂窩狀晶格C.一維鏈狀結(jié)構(gòu)D.無定形結(jié)構(gòu)答案：B5.以下哪種材料屬于生物可降解高分子？A.聚乳酸（PLA）B.聚四氟乙烯（PTFE）C.尼龍-66D.聚乙烯（PE）答案：A6.金屬材料的強(qiáng)化機(jī)制中，“細(xì)晶強(qiáng)化”的原理是？A.增加位錯密度B.減少晶界數(shù)量C.阻礙位錯運(yùn)動D.提高原子擴(kuò)散速率答案：C7.超導(dǎo)材料的臨界參數(shù)不包括？A.臨界溫度B.臨界壓力C.臨界磁場D.臨界電流密度答案：B8.氣凝膠被稱為“最輕固體材料”，其密度通常低于？A.100kg/m3B.500kg/m3C.1000kg/m3D.2000kg/m3答案：A9.以下哪種材料常用于制作光纖？A.石英玻璃（SiO?）B.普通鈉鈣玻璃C.氧化鋁陶瓷D.碳化硅陶瓷答案：A10.形狀記憶效應(yīng)的本質(zhì)是？A.熱彈性馬氏體相變B.位錯滑移C.晶粒長大D.原子擴(kuò)散答案：A11.以下哪種復(fù)合材料屬于“顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料”？A.碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂B.碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基C.玻璃纖維增強(qiáng)聚酯D.芳綸纖維增強(qiáng)橡膠答案：B12.半導(dǎo)體材料的禁帶寬度（Eg）通常在？A.0-1eVB.1-3eVC.3-5eVD.5eV以上答案：B13.鈦合金廣泛應(yīng)用于航空航天的主要原因是？A.密度小、強(qiáng)度高、耐蝕性好B.成本低、易加工C.導(dǎo)電性好D.磁性強(qiáng)答案：A14.熱固性塑料與熱塑性塑料的主要區(qū)別是？A.熱固性塑料加熱后可反復(fù)熔化B.熱固性塑料固化后不可再熔化C.熱塑性塑料分子鏈為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)D.熱固性塑料分子鏈為線性結(jié)構(gòu)答案：B15.以下哪種材料屬于“智能材料”？A.壓電陶瓷B.普通鋼C.玻璃D.木材答案：A16.3D打印金屬零件常用的金屬粉末不包括？A.鈦合金粉末B.鋁合金粉末C.不銹鋼粉末D.鉛粉末答案：D17.陶瓷材料的主要結(jié)合鍵是？A.金屬鍵B.離子鍵和共價鍵C.分子間作用力D.氫鍵答案：B18.以下哪種金屬的密度最??？A.鋁B.鎂C.鈦D.銅答案：B19.高分子材料的“玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）”是指？A.材料從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)的溫度B.材料從高彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)的溫度C.材料熔化的溫度D.材料分解的溫度答案：B20.以下哪種材料屬于“儲氫材料”？A.稀土-鎳合金（LaNi?）B.不銹鋼C.陶瓷D.塑料答案：A21.碳納米管的主要結(jié)構(gòu)特征是？A.二維片狀B.一維管狀C.三維球狀D.無定形答案：B22.以下哪種工藝可用于提高金屬材料的表面硬度？A.退火B(yǎng).淬火+回火C.正火D.滲碳答案：D23.透明陶瓷（如氧化鋁透明陶瓷）的透光性主要得益于？A.晶粒尺寸小于可見光波長B.含有大量氣孔C.晶粒尺寸大于可見光波長D.高雜質(zhì)含量答案：A24.以下哪種材料屬于“熱電材料”？A.碲化鉍（Bi?Te?）B.銅C.硅D.金剛石答案：A25.橡膠的高彈性主要來源于？A.分子鏈的蜷曲與伸展B.分子間的氫鍵作用C.晶體結(jié)構(gòu)的可逆相變D.位錯運(yùn)動答案：A26.以下哪種材料常用于制作高溫爐的爐襯？A.耐火磚（氧化鋁基）B.普通紅磚C.不銹鋼D.塑料答案：A27.金屬材料的“疲勞”失效是指？A.靜載荷下的斷裂B.交變載荷下的斷裂C.高溫下的蠕變斷裂D.腐蝕環(huán)境下的斷裂答案：B28.以下哪種高分子材料具有“自修復(fù)”特性？A.含動態(tài)共價鍵的聚氨酯B.普通聚乙烯C.聚氯乙烯D.尼龍答案：A29.以下哪種材料屬于“生物醫(yī)用金屬材料”？A.鈦合金（Ti-6Al-4V）B.鉛合金C.鋁合金D.銅合金答案：A30.納米材料的“小尺寸效應(yīng)”主要表現(xiàn)為？A.熔點(diǎn)升高B.比表面積減小C.光學(xué)性能變化（如吸收光譜藍(lán)移）D.密度顯著增加答案：C二、判斷題（每題1分，共20題）1.純鋁的強(qiáng)度比鋁合金高。（）答案：×（鋁合金通過合金化和熱處理強(qiáng)度更高）2.玻璃是晶體材料。（）答案：×（玻璃是無定形非晶體）3.高分子材料的分子量越大，機(jī)械性能一定越好。（）答案：×（分子量過大可能導(dǎo)致加工困難，性能未必更優(yōu)）4.超導(dǎo)材料在臨界溫度以下電阻為零。（）答案：√5.陶瓷材料的脆性主要源于其離子鍵/共價鍵的強(qiáng)方向性，位錯難以運(yùn)動。（）答案：√6.碳纖維的主要成分是碳，其強(qiáng)度來源于石墨微晶的取向排列。（）答案：√7.熱塑性塑料加熱后可反復(fù)成型，熱固性塑料只能成型一次。（）答案：√8.形狀記憶合金的“超彈性”是指在室溫下可發(fā)生大變形并自動恢復(fù)。（）答案：√9.氣凝膠由于孔隙率高，因此導(dǎo)熱系數(shù)極低，是優(yōu)良的隔熱材料。（）答案：√10.半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，且隨溫度升高而降低。（）答案：×（半導(dǎo)體導(dǎo)電能力隨溫度升高而增強(qiáng)）11.鎂合金是最輕的結(jié)構(gòu)金屬材料，但其耐蝕性較差。（）答案：√12.復(fù)合材料的性能等于各組分性能的簡單疊加。（）答案：×（復(fù)合材料性能通過組分協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)，可能超越單一組分）13.石墨烯的斷裂強(qiáng)度是鋼的100倍，是目前已知強(qiáng)度最高的材料之一。（）答案：√14.聚乙烯（PE）是極性高分子，因此易溶于極性溶劑（如水）。（）答案：×（PE是非極性高分子，難溶于水）15.金屬的“加工硬化”是由于塑性變形導(dǎo)致位錯密度增加，阻礙位錯運(yùn)動。（）答案：√16.壓電陶瓷（如PZT）在機(jī)械應(yīng)力作用下會產(chǎn)生電荷，反之在電場作用下會產(chǎn)生形變。（）答案：√17.生物可降解高分子在體內(nèi)降解后應(yīng)生成無毒產(chǎn)物，如聚乳酸（PLA）降解為乳酸。（）答案：√18.3D打印金屬零件時，粉末顆粒越粗，成型精度越高。（）答案：×（粉末顆粒越細(xì)，成型精度越高）19.透明陶瓷必須完全無氣孔，且晶粒取向一致。（）答案：√20.儲氫材料的儲氫密度需高于液氫，才能滿足實(shí)際應(yīng)用需求。（）答案：√三、填空題（每題2分，共15題）1.金屬材料的基本晶體結(jié)構(gòu)類型包括體心立方、面心立方和________。答案：密排六方2.高分子材料的力學(xué)狀態(tài)隨溫度變化可分為玻璃態(tài)、高彈態(tài)和________。答案：粘流態(tài)3.陶瓷材料的主要成型工藝包括干壓成型、等靜壓成型和________。答案：注漿成型（或熱壓成型）4.復(fù)合材料的界面作用主要包括機(jī)械鎖合、化學(xué)鍵合和________。答案：物理吸附5.形狀記憶合金的典型代表是________（寫出一種）。答案：鎳鈦合金（NiTi）6.半導(dǎo)體材料的摻雜類型分為n型（電子導(dǎo)電）和________（空穴導(dǎo)電）。答案：p型7.氣凝膠的主要成分通常是________（如二氧化硅氣凝膠）。答案：二氧化硅（SiO?）8.3D打印金屬粉末的常用制備方法是________（如霧化法）。答案：氣體霧化法9.生物醫(yī)用材料的關(guān)鍵性能要求是________和力學(xué)相容性。答案：生物相容性10.碳纖維的制備原料主要包括聚丙烯腈（PAN）、瀝青和________。答案：粘膠纖維11.超導(dǎo)材料的“邁斯納效應(yīng)”是指________。答案：超導(dǎo)體內(nèi)磁場被完全排出（完全抗磁性）12.熱固性塑料的典型代表是________（如環(huán)氧樹脂）。答案：環(huán)氧樹脂（或酚醛樹脂、不飽和聚酯）13.金屬的腐蝕類型主要包括化學(xué)腐蝕和________。答案：電化學(xué)腐蝕14.納米材料的“量子尺寸效應(yīng)”會導(dǎo)致其________（如半導(dǎo)體禁帶寬度變化）。答案：電學(xué)/光學(xué)性能變化15.先進(jìn)陶瓷中的“結(jié)構(gòu)陶瓷”主要用于承受________，如發(fā)動機(jī)部件。答案：機(jī)械載荷四、簡答題（每題5分，共10題）1.為什么鋁合金比純鋁更適合作為結(jié)構(gòu)材料？答案：純鋁強(qiáng)度較低（約70-100MPa），通過添加鎂、硅、銅等合金元素（如6061鋁合金），可形成第二相顆粒阻礙位錯運(yùn)動（沉淀強(qiáng)化）；同時通過熱處理（如固溶+時效）進(jìn)一步提高強(qiáng)度（可達(dá)300-400MPa）。此外，鋁合金保持了純鋁密度?。s2.7g/cm3）的優(yōu)點(diǎn)，因此比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）高，更適合作為結(jié)構(gòu)材料。2.高分子材料的鏈結(jié)構(gòu)（如支化、交聯(lián)、結(jié)晶度）如何影響其性能？答案：①支化：短支鏈減少分子鏈堆砌密度，降低結(jié)晶度和強(qiáng)度；長支鏈可能增加纏結(jié)，提高韌性。②交聯(lián)：形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，限制分子鏈運(yùn)動，提高耐熱性、強(qiáng)度和耐溶劑性（如橡膠硫化）。③結(jié)晶度：結(jié)晶區(qū)分子鏈排列緊密，提高強(qiáng)度、硬度和耐化學(xué)性；非晶區(qū)提供韌性，結(jié)晶度過高可能導(dǎo)致脆性增加（如高密度聚乙烯比低密度聚乙烯更硬）。3.陶瓷材料的增韌方法主要有哪些？舉例說明。答案：①相變增韌：氧化鋯陶瓷中，四方相ZrO?在應(yīng)力下轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕?，體積膨脹吸收能量（如部分穩(wěn)定氧化鋯PSZ）。②顆粒增韌：在基體中加入高強(qiáng)度顆粒（如SiC顆粒增強(qiáng)Al?O?陶瓷），阻礙裂紋擴(kuò)展。③纖維/晶須增韌：碳纖維或碳化硅晶須橋接裂紋，消耗斷裂能（如碳纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料）。④微裂紋增韌：引入微小裂紋吸收主裂紋能量（如氧化釔穩(wěn)定氧化鋯）。4.比較碳纖維與玻璃纖維的優(yōu)缺點(diǎn)。答案：碳纖維優(yōu)點(diǎn)：密度小（約1.7-2.0g/cm3）、強(qiáng)度高（3-7GPa）、模量高（200-700GPa）、耐高溫（惰性氣氛下2000℃不分解）、耐化學(xué)腐蝕；缺點(diǎn)：成本高、脆性大（斷裂延伸率約1-2%）、表面活性低（需表面處理提高與基體結(jié)合力）。玻璃纖維優(yōu)點(diǎn)：成本低、工藝成熟、電絕緣性好；缺點(diǎn)：密度較大（2.5-2.7g/cm3）、強(qiáng)度（約3GPa）和模量（70-80GPa）低于碳纖維，耐高溫性差（長期使用溫度＜300℃）。5.為什么石墨烯被稱為“未來材料之王”？列舉其關(guān)鍵特性。答案：石墨烯是單原子層二維碳材料，關(guān)鍵特性包括：①力學(xué)性能：斷裂強(qiáng)度130GPa，模量1TPa（鋼的100倍）；②電學(xué)性能：載流子遷移率2×10?cm2/(V·s)（硅的100倍），室溫量子霍爾效應(yīng)；③熱學(xué)性能：熱導(dǎo)率5300W/(m·K)（銅的13倍）；④光學(xué)性能：透光率97.7%，幾乎透明；⑤其他：比表面積2630m2/g。這些特性使其在電子器件、能源存儲、復(fù)合材料等領(lǐng)域具有革命性應(yīng)用潛力。6.生物醫(yī)用材料的“生物相容性”具體指什么？需滿足哪些要求？答案：生物相容性指材料在宿主環(huán)境中與生物系統(tǒng)相互作用時，不引起有害反應(yīng)的能力，包括：①血液相容性（抗凝血性）：用于心血管材料（如心臟瓣膜）需避免血栓；②組織相容性：植入材料（如骨釘）需與周圍組織結(jié)合，無炎癥或排斥；③生物降解性（若為可吸收材料）：降解速率與組織再生匹配，產(chǎn)物無毒（如PLA降解為乳酸，可代謝排出）；④化學(xué)穩(wěn)定性（若為永久植入材料）：長期不分解，不釋放有害離子（如鈦合金表面氧化膜穩(wěn)定）。7.解釋“金屬的時效強(qiáng)化”機(jī)制，并舉例說明。答案：時效強(qiáng)化（沉淀強(qiáng)化）是指固溶處理后形成過飽和固溶體，經(jīng)室溫或加熱（時效）后，第二相（沉淀相）從基體中析出，阻礙位錯運(yùn)動，提高強(qiáng)度。例如：鋁合金（如6061）經(jīng)固溶處理（加熱至單相區(qū)后快速冷卻）得到過飽和α固溶體，隨后在120-200℃時效，析出Mg?Si等細(xì)小彌散的沉淀相，顯著提高強(qiáng)度。8.為什么氣凝膠能作為超級隔熱材料？其隔熱原理是什么？答案：氣凝膠的孔隙率高達(dá)90-99.8%，孔徑多為納米級（2-50nm），小于空氣分子平均自由程（約70nm），限制了空氣分子的熱傳導(dǎo)；同時，氣凝膠的固體骨架極?。{米級），固體熱傳導(dǎo)可忽略；此外，高孔隙率減少了熱輻射傳遞（部分氣凝膠添加遮光劑進(jìn)一步抑制輻射）。因此，氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)可低至0.01W/(m·K)（空氣為0.026W/(m·K)），是目前已知導(dǎo)熱系數(shù)最低的固體材料。9.比較熱塑性塑料與熱固性塑料的加工工藝和應(yīng)用場景。答案：熱塑性塑料（如PE、PP）加熱軟化，冷卻硬化，可反復(fù)成型（注射、擠出、吹塑），適合生產(chǎn)可回收、形狀復(fù)雜的制品（如塑料瓶、玩具）；熱固性塑料（如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂）加熱時發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)固化，成型后不可再熔化，適合高溫、高剛性場景（如電路板、汽車剎車片、耐高溫模具）。10.簡述“3D打印金屬材料”的技術(shù)挑戰(zhàn)及解決方向。答案：挑戰(zhàn)：①孔隙率：熔池凝固時氣體未排出易形成氣孔，降低力學(xué)性能；②殘余應(yīng)力：快速熔凝導(dǎo)致熱應(yīng)力集中，零件變形或開裂；③成分偏析：高冷卻速率可能導(dǎo)致合金元素分布不均；④表面粗糙度：層間結(jié)合處易形成臺階，需后處理。解決方向：優(yōu)化工藝參數(shù)（激光功率、掃描速度、層厚）；開發(fā)專用合金（如低裂紋敏感性的鈦鋁合金）；引入預(yù)熱或隨形冷卻技術(shù)減少應(yīng)力；結(jié)合機(jī)加工或表面拋光提高精度。五、綜合分析題（每題10分，共5題）1.新能源汽車動力電池（如固態(tài)電池）對正極材料的性能要求有哪些？目前主流正極材料（如三元材料、磷酸鐵鋰）的優(yōu)缺點(diǎn)及改進(jìn)方向。答案：性能要求：高比容量（＞150mAh/g）、高電壓平臺（＞3.5V）、良好的循環(huán)穩(wěn)定性（1000次循環(huán)后容量保持率＞80%）、熱穩(wěn)定性（＞200℃不分解）、低成本、環(huán)境友好。三元材料（LiNixCoyMnzO?）優(yōu)點(diǎn)：比容量高（180-220mAh/g）、能量密度高（250-300Wh/kg）；缺點(diǎn)：熱穩(wěn)定性差（150℃開始分解）、循環(huán)壽命較短（500-800次）、成本高（含鈷）。改進(jìn)方向：表面包覆（Al?O?抑制副反應(yīng)）、體相摻雜（Mg2+提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性）、降低鈷含量（高鎳低鈷化）。磷酸鐵鋰（LiFePO?）優(yōu)點(diǎn)：熱穩(wěn)定性好（＞300℃分解）、循環(huán)壽命長（2000次以上）、成本低、無毒性；缺點(diǎn)：比容量低（140-160mAh/g）、能量密度低（120-180Wh/kg）、導(dǎo)電性差（需碳包覆或納米化）。改進(jìn)方向：納米化減小粒徑（縮短Li+擴(kuò)散路徑）、碳包覆提高電子電導(dǎo)、摻雜金屬離子（如Mg2+）提高倍率性能。2.5G通信基站天線需要高頻高穩(wěn)定性的材料，分析其對材料介電性能的要求，并列舉兩種適用材料及原因。答案：5G天線工作頻率高（2-40GHz），要求材料：①低介電常數(shù)（εr）：減少信號延遲（延遲與√εr成正比）；②低介電損耗（tanδ）：降低信號衰減（衰減與εr·tanδ成正比）；③高頻率穩(wěn)定性：εr和tanδ隨頻率變化?。虎軣岱€(wěn)定性：工作溫度（-40℃-85℃）下性能穩(wěn)定；⑤輕量化：降低基站負(fù)載。適用材料舉例：①聚四氟乙烯（PTFE）：εr≈2.1，tanδ≈0.0002（極低損耗），耐溫范圍寬（-200℃-260℃），常用于高頻天線介質(zhì)基板。②石英陶瓷（SiO?）：εr≈3.8，tanδ≈0.0001（高頻下更穩(wěn)定），熱膨脹系數(shù)低（5.5×10??/℃），適合高精度天線罩。3.航空發(fā)動機(jī)熱端部件（如渦輪葉片）需要承受高溫、高壓、高應(yīng)力環(huán)境，分析其材料選擇的關(guān)鍵因素，并說明目前主流材料（如鎳基高溫合金、陶瓷基復(fù)合材料）的優(yōu)勢與不足。答案：關(guān)鍵因素：①高溫強(qiáng)度：1000℃以上保持足夠的蠕變強(qiáng)度；②抗氧化/腐蝕：抵抗燃?xì)庵械腛?、S等元素侵蝕；③熱疲勞抗性：承受頻繁啟停的溫度循環(huán)；④密度：降低轉(zhuǎn)動慣量（比強(qiáng)度=強(qiáng)度/密度）。鎳基高溫合金優(yōu)勢：組織穩(wěn)定（γ’相強(qiáng)化），1000℃下持久強(qiáng)度高（＞200MPa），工藝成熟（定向凝固、單晶技術(shù)）；不足：密度大（8-9g/cm3），最高使用溫度約1100℃（受γ’相溶解限制）。陶瓷基