2025年材料學概論習題庫附答案一、選擇題（每題2分，共20分）1.以下哪項不屬于材料科學與工程四要素？A.成分與結構B.合成與加工C.經(jīng)濟效益D.性能與應用答案：C2.金屬晶體中最常見的密堆積結構不包括：A.面心立方（FCC）B.體心立方（BCC）C.六方密堆積（HCP）D.簡單立方（SC）答案：D3.高分子材料的玻璃化轉變溫度（Tg）是指：A.材料從玻璃態(tài)轉變?yōu)檎沉鲬B(tài)的溫度B.非晶態(tài)高分子從玻璃態(tài)向高彈態(tài)轉變的溫度C.結晶高分子完全熔融的溫度D.材料開始分解的溫度答案：B4.以下哪種陶瓷屬于結構陶瓷？A.壓電陶瓷（PZT）B.氧化鋁陶瓷（Al?O?）C.氧化鋯陶瓷（ZrO?）增韌材料D.鐵電陶瓷答案：B（注：C為功能陶瓷的改性類型，需區(qū)分結構陶瓷以力學性能為主）5.復合材料中“界面相”的主要作用是：A.傳遞載荷B.降低密度C.提高導電性D.增加透明度答案：A6.制備納米材料時，“自上而下”法的典型工藝是：A.氣相沉積（CVD）B.球磨法C.溶膠-凝膠法D.分子自組裝答案：B7.評價材料耐腐蝕性的常用方法是：A.維氏硬度測試B.電化學阻抗譜（EIS）C.X射線衍射（XRD）D.差示掃描量熱（DSC）答案：B8.以下哪種材料屬于智能材料？A.形狀記憶合金（SMA）B.普通碳鋼C.二氧化硅玻璃D.低密度聚乙烯（LDPE）答案：A9.鋰離子電池正極材料LiCoO?中，鈷的常見化合價為：A.+2B.+3C.+4D.+5答案：B10.生物醫(yī)用材料的“生物相容性”主要指：A.材料與生物體組織、血液不發(fā)生有害反應的能力B.材料的力學強度與骨組織匹配C.材料的可降解速率可控D.材料的加工成型性良好答案：A二、判斷題（每題1分，共10分）1.晶體缺陷只會降低材料性能（如強度），因此應完全避免。（×）（注：位錯等缺陷可通過加工硬化提高強度）2.高分子材料的分子量越大，其力學性能一定越好。（×）（注：分子量過大可能導致加工困難，且需結合分子量分布）3.陶瓷材料的脆性主要源于其離子鍵/共價鍵為主的結合方式，位錯運動困難。（√）4.復合材料的性能一定優(yōu)于其單一組成相的性能。（×）（注：需設計合理的組分配比與界面結合，否則可能出現(xiàn)性能下降）5.熱塑性高分子加熱可熔化，熱固性高分子加熱會分解。（√）6.納米材料因尺寸效應，其熔點通常高于塊體材料。（×）（注：納米材料表面能高，熔點降低）7.鐵磁材料的居里溫度是其失去鐵磁性的臨界溫度。（√）8.鋁合金的時效強化是通過過飽和固溶體分解，析出細小第二相實現(xiàn)的。（√）9.太陽能電池用硅材料純度要求低于半導體芯片用硅。（×）（注：太陽能級硅純度約99.9999%，芯片級需99.9999999%以上）10.綠色材料的核心是可回收性，無需考慮生產(chǎn)過程的環(huán)境負荷。（×）（注：需全生命周期評估，包括原料獲取、生產(chǎn)、使用、廢棄）三、簡答題（每題5分，共40分）1.簡述材料按化學鍵分類的主要類型及其典型代表。答案：材料按化學鍵可分為：①金屬鍵材料（如鋼鐵、鋁合金），以自由電子和金屬陽離子為特征，具有良好導電性、導熱性；②離子鍵材料（如NaCl晶體、MgO陶瓷），由正負離子通過靜電作用結合，硬度高、脆性大；③共價鍵材料（如金剛石、SiC陶瓷），通過共用電子對結合，熔點高、強度大；④分子鍵材料（如高分子聚合物、冰），通過范德華力或氫鍵結合，熔點低、柔韌性好。2.對比分析金屬材料與高分子材料的塑性變形機制差異。答案：金屬塑性變形主要通過位錯滑移實現(xiàn)，外力作用下位錯沿滑移面/滑移方向運動，導致原子面相對滑動；高分子材料的塑性變形分非晶態(tài)與晶態(tài)：非晶態(tài)高分子在Tg以上發(fā)生鏈段運動，表現(xiàn)為高彈形變或粘性流動；晶態(tài)高分子通過晶片滑移、片層分離及分子鏈取向實現(xiàn)變形，溫度升高時可能發(fā)生解結晶。3.解釋“固溶強化”與“第二相強化”的區(qū)別。答案：固溶強化是溶質原子溶入溶劑晶格形成固溶體，引起晶格畸變，阻礙位錯運動（如鋼中C原子溶入Fe形成間隙固溶體）；第二相強化是通過析出細小、彌散的第二相顆粒（如鋁合金時效析出的θ相），位錯需繞過或切過顆粒，增加變形阻力。前者依賴溶質原子與位錯的交互作用，后者依賴第二相的尺寸、分布與體積分數(shù)。4.列舉三種表征材料微觀結構的常用技術，并說明其適用范圍。答案：①透射電子顯微鏡（TEM）：分辨率可達原子級，用于觀察納米級析出相、位錯組態(tài)、界面結構；②X射線衍射（XRD）：通過衍射峰分析晶體結構（如物相鑒定、晶格常數(shù)計算、結晶度測定）；③掃描電子顯微鏡（SEM）：觀察材料表面形貌（如斷口分析、顆粒分布），結合能譜儀（EDS）可進行微區(qū)成分分析。5.簡述高分子材料“聚合度”對性能的影響規(guī)律。答案：聚合度（DP）指高分子鏈中重復單元的數(shù)目。DP較低時（如DP<100），材料表現(xiàn)為低分子化合物（如蠟狀），力學性能差；DP增加至臨界值（約100-200）后，分子鏈間作用力增強，材料出現(xiàn)強度、韌性；DP過高（如>10?），分子鏈纏結嚴重，熔體粘度劇增，加工困難，且可能因內應力導致性能下降。6.說明陶瓷材料“燒結”工藝的主要目的及關鍵參數(shù)。答案：燒結是將陶瓷坯體在高溫下致密化的過程，目的是通過原子擴散消除氣孔，提高密度、強度和硬度。關鍵參數(shù)：①燒結溫度（需高于坯體中低熔點相的軟化溫度，低于主晶相熔點）；②保溫時間（確保原子充分擴散，時間過長可能導致晶粒異常長大）；③燒結氣氛（如還原氣氛防止金屬氧化，氧化氣氛促進氧化物燒結）；④升溫/降溫速率（過快易產(chǎn)生熱應力導致開裂）。7.分析新能源汽車動力電池對正極材料的性能要求。答案：①高容量：單位質量/體積存儲電量大（如LiNi?.?Co?.?Mn?.?O?比容量>200mAh/g）；②高電壓平臺：提高電池能量密度（如LiCoO?電壓約3.7V）；③循環(huán)穩(wěn)定性：充放電過程中結構不易坍塌（如LiFePO?的橄欖石結構穩(wěn)定性）；④熱穩(wěn)定性：高溫下不易分解（避免電池熱失控）；⑤低成本：原料豐富（如鐵基材料優(yōu)于鈷基）；⑥環(huán)境友好：無重金屬污染（如替代含鈷材料）。8.簡述“形狀記憶合金”的工作原理及典型應用。答案：原理：基于馬氏體相變及其逆轉變。低溫下為馬氏體相（軟態(tài)，易變形），加熱至奧氏體相變溫度以上時，馬氏體逆轉變?yōu)閵W氏體，恢復原始形狀。典型應用：①醫(yī)療領域（如牙科矯形絲、血管支架）；②航空航天（如衛(wèi)星天線展開結構）；③智能驅動元件（如溫控閥門）。四、論述題（每題10分，共30分）1.從結構-性能關系角度，對比金屬材料、陶瓷材料、高分子材料的力學性能差異，并分析其本質原因。答案：力學性能差異：金屬材料塑性好（斷裂延伸率可達5%-50%）、強度較高（如鋼的抗拉強度400-2000MPa）；陶瓷材料硬度高（如Al?O?維氏硬度>1500HV）、但脆性大（斷裂韌性<5MPa·m?）；高分子材料彈性模量低（如聚乙烯約1GPa）、但韌性好（斷裂伸長率可達數(shù)百%）。本質原因：①金屬鍵：自由電子云使原子間結合具有一定方向性，位錯易滑移，故塑性好；②陶瓷鍵（離子鍵/共價鍵）：鍵合方向性強，位錯滑移需破壞強鍵，且缺陷（如氣孔、微裂紋）易引發(fā)應力集中，導致脆性；③高分子鍵：分子鏈間為范德華力（弱鍵），鏈段可運動（如高彈態(tài)下鏈段伸展），故彈性好；晶區(qū)與非晶區(qū)共存時，晶區(qū)提供強度，非晶區(qū)提供韌性。2.結合“雙碳”目標，論述材料領域的可持續(xù)發(fā)展路徑。答案：①開發(fā)綠色制備技術：如低溫燒結（降低陶瓷生產(chǎn)能耗）、水相聚合（替代有機溶劑）、短流程冶金（減少CO?排放）；②推廣可降解/可回收材料：如聚乳酸（PLA）替代傳統(tǒng)塑料，鋁/鋼的閉環(huán)回收（再生鋁能耗僅為原鋁的5%）；③發(fā)展低碳功能材料：如高效光伏材料（鈣鈦礦太陽能電池效率突破26%）、高能量密度電池（固態(tài)電池減少鋰資源消耗）、低導熱保溫材料（降低建筑能耗）；④建立全生命周期評價（LCA）體系：從原料開采、生產(chǎn)、使用到廢棄，評估環(huán)境負荷，優(yōu)化材料設計（如用生物基原料替代石油基高分子）；⑤推動材料-能源-環(huán)境協(xié)同：如利用工業(yè)廢渣制備膠凝材料（替代水泥），用CO?作為原料合成高分子（減少溫室氣體）。3.以“半導體硅材料”為例，說明材料加工工藝對其性能的關鍵影響。答案：半導體硅材料（純度>99.9999999%）的性能高度依賴加工工藝：①提純工藝：通過西門子法（SiHCl?氫還原）或區(qū)熔法獲得高純度多晶硅，雜質（如B、P）含量需控制在ppb級，否則影響載流子濃度；②單晶硅制備：直拉法（CZ法）通過籽晶旋轉提拉獲得大尺寸單晶（如12英寸晶圓），晶體缺陷（如位錯、空位）會降低載流子遷移率；③摻雜工藝：通過離子注入或擴散引入P（n型）或