2026年超材料力學(xué)基礎(chǔ)題庫(kù)含答案一、單選題（每題2分，共20題）1.超材料在力學(xué)性能方面的核心特征是？A.傳統(tǒng)材料的力學(xué)特性B.通過(guò)設(shè)計(jì)單元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)特殊力學(xué)響應(yīng)C.依賴(lài)外部能源驅(qū)動(dòng)D.僅適用于微觀(guān)尺度2.超材料中“單元”的基本功能是？A.承受壓力B.傳遞能量C.通過(guò)幾何形狀調(diào)控波的傳播D.增強(qiáng)材料的密度3.下列哪種材料不屬于傳統(tǒng)超材料的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)？A.金屬網(wǎng)格B.陶瓷纖維C.碳納米管陣列D.分形結(jié)構(gòu)4.超材料在航空航天領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)不包括？A.減重B.提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度C.降低制造成本D.實(shí)現(xiàn)聲波隱身5.超材料的“負(fù)折射率”現(xiàn)象主要源于？A.材料密度B.光子晶體結(jié)構(gòu)C.金屬涂層D.溫度變化6.超材料在振動(dòng)控制中的應(yīng)用原理是？A.增強(qiáng)材料剛性B.通過(guò)諧振吸收或反射振動(dòng)C.提高材料彈性模量D.增加材料阻尼7.超材料在醫(yī)療器械中的典型應(yīng)用是？A.骨架植入物B.人工關(guān)節(jié)C.仿生聲吶系統(tǒng)D.心臟起搏器8.超材料的“超表面”概念與下列哪個(gè)理論相關(guān)？A.經(jīng)典力學(xué)B.量子力學(xué)C.幾何光學(xué)D.非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)9.超材料在建筑結(jié)構(gòu)中的主要作用是？A.提高抗壓強(qiáng)度B.實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)變形C.增強(qiáng)抗風(fēng)能力D.降低材料成本10.超材料在電磁屏蔽中的應(yīng)用原理是？A.金屬涂層反射電磁波B.通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)吸收或透射電磁波C.提高材料導(dǎo)電率D.增加材料厚度二、多選題（每題3分，共10題）1.超材料的制備方法包括？A.3D打印B.光刻技術(shù)C.傳統(tǒng)機(jī)械加工D.自組裝技術(shù)2.超材料在機(jī)械振動(dòng)中的應(yīng)用場(chǎng)景有？A.橋梁減振B.航空器機(jī)身隔音C.地震預(yù)警系統(tǒng)D.機(jī)器人關(guān)節(jié)緩沖3.超材料的“負(fù)剛度”特性可用于？A.振動(dòng)抑制B.扭轉(zhuǎn)控制C.彎曲補(bǔ)償D.能量收集4.超材料在生物力學(xué)中的應(yīng)用包括？A.仿生肌肉材料B.組織工程支架C.超聲成像增強(qiáng)D.生物力學(xué)傳感器5.超材料的“超構(gòu)材料”與下列哪些概念相關(guān)？A.分形幾何B.非線(xiàn)性光學(xué)C.菲涅爾透鏡D.等離激元6.超材料在能源領(lǐng)域的應(yīng)用包括？A.太陽(yáng)能高效吸收B.風(fēng)能捕獲優(yōu)化C.壓電能量轉(zhuǎn)換D.儲(chǔ)能材料設(shè)計(jì)7.超材料在土木工程中的主要作用是？A.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)B.自修復(fù)混凝土C.抗震性能增強(qiáng)D.環(huán)境感知系統(tǒng)8.超材料的“聲超材料”特性可用于？A.聲波聚焦B.噪聲控制C.超聲成像D.聲學(xué)隱身9.超材料在微納機(jī)械系統(tǒng)中的應(yīng)用包括？A.微鏡驅(qū)動(dòng)器B.微傳感器陣列C.微執(zhí)行器設(shè)計(jì)D.微流體通道優(yōu)化10.超材料的“多尺度設(shè)計(jì)”方法涉及？A.單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)B.亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)控C.材料梯度分布D.結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化三、判斷題（每題1分，共10題）1.超材料必須依賴(lài)外部能源才能實(shí)現(xiàn)特殊力學(xué)性能。（×）2.超材料的制備成本高于傳統(tǒng)材料。（√）3.超材料的“負(fù)剛度”特性會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。（×）4.超材料在電磁屏蔽中具有可調(diào)諧性。（√）5.超材料的“聲超材料”可以實(shí)現(xiàn)聲波全反射。（×）6.超材料的“仿生設(shè)計(jì)”主要借鑒生物力學(xué)原理。（√）7.超材料的“多尺度設(shè)計(jì)”僅適用于宏觀(guān)結(jié)構(gòu)。（×）8.超材料的“振動(dòng)控制”應(yīng)用可降低機(jī)械疲勞風(fēng)險(xiǎn)。（√）9.超材料的“能量收集”應(yīng)用需依賴(lài)外部光源。（×）10.超材料的“聲學(xué)隱身”技術(shù)僅適用于水下環(huán)境。（×）四、簡(jiǎn)答題（每題5分，共4題）1.簡(jiǎn)述超材料與傳統(tǒng)材料的區(qū)別及其在力學(xué)性能上的優(yōu)勢(shì)。2.解釋超材料“負(fù)剛度”現(xiàn)象的力學(xué)原理及其工程應(yīng)用。3.列舉三種超材料在醫(yī)療器械中的應(yīng)用場(chǎng)景并說(shuō)明其作用。4.分析超材料在土木工程中的挑戰(zhàn)及未來(lái)發(fā)展方向。五、計(jì)算題（每題10分，共2題）1.已知某超材料單元結(jié)構(gòu)尺寸為100μm×100μm，周期排布間距為50μm，材料楊氏模量為200GPa，計(jì)算該單元在1kN載荷下的位移及應(yīng)力分布（假設(shè)為線(xiàn)彈性）。2.設(shè)計(jì)一個(gè)厚度為2mm的聲超材料，要求對(duì)頻率為1kHz的聲波實(shí)現(xiàn)-10dB的透射損耗，材料基板為聚酰亞胺（彈性模量7GPa），給出單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)及驗(yàn)證方法。答案與解析一、單選題答案1.B2.C3.B4.C5.B6.B7.C8.B9.C10.B解析：超材料的核心特征是通過(guò)設(shè)計(jì)單元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)特殊力學(xué)響應(yīng)（如負(fù)折射率、負(fù)剛度等），傳統(tǒng)材料不具備此特性。單元的主要功能是調(diào)控波的傳播（聲波、電磁波等）。陶瓷纖維不屬于超材料設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，超材料更依賴(lài)幾何結(jié)構(gòu)而非傳統(tǒng)纖維材料。超材料制造成本通常高于傳統(tǒng)材料，其在振動(dòng)控制中的作用是通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)吸收或反射振動(dòng)。聲超材料主要利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制聲波，而非單純依賴(lài)材料密度。二、多選題答案1.A,B,D2.A,B,D3.A,B,C4.A,B,C5.A,C,D6.A,B,C7.A,C8.A,B,C9.A,B,C10.A,B,C,D解析：超材料制備方法包括3D打印、光刻和自組裝技術(shù)，傳統(tǒng)機(jī)械加工較難實(shí)現(xiàn)超材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)。超材料在橋梁減振、航空器隔音和機(jī)器人關(guān)節(jié)緩沖中均有應(yīng)用。負(fù)剛度特性可用于振動(dòng)抑制、扭轉(zhuǎn)控制和彎曲補(bǔ)償。超材料在仿生肌肉、組織工程和超聲成像中發(fā)揮作用。超構(gòu)材料涉及分形幾何、菲涅爾透鏡和等離激元等概念。超材料在太陽(yáng)能吸收、風(fēng)能捕獲和壓電能量轉(zhuǎn)換中有應(yīng)用。超材料在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和抗震性能增強(qiáng)中作用顯著。聲超材料可實(shí)現(xiàn)聲波聚焦、噪聲控制和超聲成像。微納機(jī)械系統(tǒng)中的超材料應(yīng)用包括微鏡驅(qū)動(dòng)器、微傳感器和微執(zhí)行器設(shè)計(jì)。多尺度設(shè)計(jì)涉及單元結(jié)構(gòu)、亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)、材料梯度及拓?fù)鋬?yōu)化。三、判斷題答案1.×2.√3.×4.√5.×6.√7.×8.√9.×10.×解析：超材料無(wú)需外部能源即可實(shí)現(xiàn)特殊力學(xué)性能，其成本通常較高。負(fù)剛度特性若設(shè)計(jì)合理，不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。超材料在電磁屏蔽中可通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧性。聲超材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)全反射，僅能調(diào)控聲波。仿生設(shè)計(jì)主要借鑒生物力學(xué)原理。多尺度設(shè)計(jì)不僅適用于宏觀(guān)，也可用于微納尺度。振動(dòng)控制可降低機(jī)械疲勞風(fēng)險(xiǎn)。能量收集無(wú)需依賴(lài)外部光源，如壓電超材料可收集機(jī)械能。聲學(xué)隱身技術(shù)適用于多種環(huán)境，不僅限于水下。四、簡(jiǎn)答題答案1.超材料與傳統(tǒng)材料的區(qū)別及力學(xué)優(yōu)勢(shì)超材料通過(guò)設(shè)計(jì)單元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)特殊力學(xué)響應(yīng)（如負(fù)折射率、負(fù)剛度等），而傳統(tǒng)材料依賴(lài)材料固有屬性。優(yōu)勢(shì)：可突破傳統(tǒng)材料力學(xué)性能極限（如實(shí)現(xiàn)負(fù)剛度增強(qiáng)振動(dòng)抑制）、可調(diào)諧性（適應(yīng)不同工況）、多功能集成（如聲-力雙重調(diào)控）。2.負(fù)剛度現(xiàn)象的力學(xué)原理及應(yīng)用負(fù)剛度特性指材料在受壓時(shí)伸長(zhǎng)、受拉時(shí)縮短（與傳統(tǒng)材料相反）。原理：通過(guò)單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如仿生四足昆蟲(chóng)腿部結(jié)構(gòu)）打破傳統(tǒng)應(yīng)力-應(yīng)變線(xiàn)性關(guān)系。應(yīng)用：振動(dòng)抑制（如自適應(yīng)減振器）、扭轉(zhuǎn)控制（如柔性機(jī)械臂）、彎曲補(bǔ)償（如可變形機(jī)器人）。3.超材料在醫(yī)療器械中的應(yīng)用-仿生聲吶系統(tǒng)：利用聲超材料實(shí)現(xiàn)高分辨率醫(yī)學(xué)成像（如腦部結(jié)構(gòu)探測(cè)）。-組織工程支架：超材料可模擬細(xì)胞外基質(zhì)力學(xué)環(huán)境，促進(jìn)組織再生。-超聲成像增強(qiáng)：通過(guò)聲超材料調(diào)控聲波聚焦，提高病灶檢測(cè)精度。4.超材料在土木工程的挑戰(zhàn)與發(fā)展挑戰(zhàn)：制備成本高、環(huán)境適應(yīng)性（耐腐蝕、耐疲勞）不足、大規(guī)模應(yīng)用技術(shù)不成熟。發(fā)展方向：開(kāi)發(fā)低成本柔性超材料（如聚合物基）、結(jié)合傳感器實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、設(shè)計(jì)自修復(fù)超材料（如嵌入式微膠囊）。五、計(jì)算題答案1.位移及應(yīng)力計(jì)算-位移：ΔL=F/(EA)=1kN/(200GPa×100μm×100μm)=5×10??mm-應(yīng)力：σ=F/A=1kN/(100μm×