2025年材料大類試題及答案一、選擇題（每題2分，共20分）1.面心立方（FCC）晶體中，原子密排面的晶面指數(shù)為（）。A.(100)B.(110)C.(111)D.(211)2.以下哪種缺陷屬于線缺陷？（）A.空位B.間隙原子C.位錯D.晶界3.純金屬凝固時，形核率隨過冷度增大而先增后減的主要原因是（）。A.表面能降低B.體積自由能差增大但原子擴(kuò)散能力下降C.晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變D.溶質(zhì)偏析4.擴(kuò)散系數(shù)D的表達(dá)式為D=D?exp(-Q/RT)，其中Q表示（）。A.擴(kuò)散激活能B.表面能C.晶格畸變能D.形核功5.馬氏體轉(zhuǎn)變的主要特征不包括（）。A.無擴(kuò)散性B.切變共格C.體積膨脹D.平衡相變6.以下哪種材料的彈性模量最高？（）A.鋁合金B(yǎng).鋼C.陶瓷D.高分子7.非晶態(tài)合金與晶態(tài)合金相比，最顯著的結(jié)構(gòu)差異是（）。A.長程有序vs短程有序B.短程有序vs長程無序C.長程無序vs短程有序D.全無序vs全有序8.復(fù)合材料中，界面的主要作用不包括（）。A.傳遞載荷B.阻礙裂紋擴(kuò)展C.促進(jìn)相分離D.協(xié)調(diào)變形9.高分子材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）是（）。A.粘流態(tài)與高彈態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度B.高彈態(tài)與玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度C.結(jié)晶與非晶的轉(zhuǎn)變溫度D.熔融與凝固的轉(zhuǎn)變溫度10.以下哪種工藝常用于制備納米晶材料？（）A.常規(guī)鑄造B.快速凝固C.退火D.正火二、填空題（每空1分，共10分）1.體心立方（BCC）晶體的致密度為______（保留兩位小數(shù)）。2.點(diǎn)缺陷的平衡濃度隨溫度升高而______（填“增大”或“減小”）。3.擴(kuò)散第一定律（菲克第一定律）的數(shù)學(xué)表達(dá)式為______。4.陶瓷材料的主要結(jié)合鍵是______和共價鍵。5.高分子鏈的構(gòu)象由______的內(nèi)旋轉(zhuǎn)引起。6.形狀記憶合金的核心效應(yīng)是______效應(yīng)。7.半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電機(jī)制主要是______和空穴導(dǎo)電。8.金屬的再結(jié)晶溫度通常為其熔點(diǎn)的______（以絕對溫度比表示）。9.碳納米管的結(jié)構(gòu)可視為由______卷曲而成的管狀結(jié)構(gòu)。10.生物醫(yī)用材料的關(guān)鍵要求是______和生物功能性。三、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述位錯的滑移與攀移的區(qū)別，包括所需條件、運(yùn)動方向及對材料性能的影響。2.非晶態(tài)合金為何具有優(yōu)異的耐腐蝕性？從結(jié)構(gòu)和電化學(xué)角度分析。3.陶瓷材料脆性大，列舉三種常用的增韌方法并說明其機(jī)理。4.分析高分子鏈的柔順性對材料力學(xué)性能的影響（從Tg、模量、斷裂伸長率等方面展開）。5.復(fù)合材料設(shè)計(jì)中，如何選擇增強(qiáng)相和基體？需考慮哪些匹配原則？四、綜合題（每題15分，共30分）1.某企業(yè)擬開發(fā)一款用于5G通信基站的高導(dǎo)熱、低膨脹散熱材料，要求熱導(dǎo)率＞200W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)（CTE）＜8×10??/℃，請?jiān)O(shè)計(jì)材料體系并說明設(shè)計(jì)依據(jù)。需考慮材料的組成、結(jié)構(gòu)控制及制備工藝。2.某鋁合金零件在海洋環(huán)境中服役半年后出現(xiàn)局部腐蝕穿孔，經(jīng)分析腐蝕類型為點(diǎn)蝕。請結(jié)合鋁合金的腐蝕機(jī)理，分析點(diǎn)蝕產(chǎn)生的可能原因（包括材料本身、環(huán)境因素及服役條件），并提出至少三種改進(jìn)措施。答案一、選擇題1.C（面心立方的密排面為{111}，原子排列最緊密）2.C（位錯是一維線缺陷，空位、間隙原子為點(diǎn)缺陷，晶界為面缺陷）3.B（過冷度增大時，體積自由能差ΔGv增大促進(jìn)形核，但原子擴(kuò)散能力下降抑制形核，兩者共同作用使形核率先增后減）4.A（擴(kuò)散激活能是原子躍遷所需的能量，決定擴(kuò)散難易程度）5.D（馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榉瞧胶庀嘧?，無擴(kuò)散、切變共格且伴隨體積膨脹）6.C（陶瓷的共價鍵/離子鍵結(jié)合強(qiáng)，彈性模量通常高于金屬和高分子）7.C（非晶態(tài)長程無序但短程有序，晶態(tài)長程有序）8.C（界面主要作用是載荷傳遞、裂紋阻礙和變形協(xié)調(diào)，促進(jìn)相分離是不利因素）9.B（玻璃化轉(zhuǎn)變是高分子從剛性玻璃態(tài)向高彈態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度）10.B（快速凝固可抑制晶粒長大，獲得納米晶結(jié)構(gòu)）二、填空題1.0.682.增大3.J=-D(dC/dx)（J為擴(kuò)散通量，D為擴(kuò)散系數(shù)，dC/dx為濃度梯度）4.離子鍵5.單鍵（或σ鍵）6.形狀記憶（或熱彈性馬氏體）7.電子（或自由電子）8.0.3~0.4（Tm為熔點(diǎn)，絕對溫度）9.石墨烯（或單層石墨）10.生物相容性三、簡答題1.位錯滑移與攀移的區(qū)別：-所需條件：滑移在切應(yīng)力作用下發(fā)生，無需原子擴(kuò)散；攀移需正應(yīng)力（拉/壓）和原子擴(kuò)散（空位移動），通常在高溫下發(fā)生。-運(yùn)動方向：滑移方向?yàn)榛泼鎯?nèi)的柏氏矢量方向；攀移方向垂直于滑移面（沿位錯線法向）。-對性能的影響：滑移是室溫下金屬塑性變形的主要機(jī)制，決定材料強(qiáng)度和塑性；攀移是高溫下位錯運(yùn)動的重要方式，與蠕變、回復(fù)等過程相關(guān)。2.非晶態(tài)合金耐腐蝕性優(yōu)異的原因：-結(jié)構(gòu)角度：非晶無晶界、位錯等缺陷，成分均勻，無第二相析出，減少了腐蝕微電池的形成。-電化學(xué)角度：表面易形成均勻、致密的鈍化膜（如Cr、P等元素促進(jìn)鈍化），且無晶界等優(yōu)先腐蝕路徑，鈍化膜穩(wěn)定性高，腐蝕電流密度低。3.陶瓷增韌方法及機(jī)理：-相變增韌（如ZrO?增韌陶瓷）：利用四方相ZrO?在應(yīng)力誘導(dǎo)下轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕?，體積膨脹產(chǎn)生壓應(yīng)力，阻礙裂紋擴(kuò)展。-顆粒增韌（如SiC顆粒增韌Al?O?）：顆粒與基體熱膨脹失配產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，或顆粒阻礙裂紋擴(kuò)展（橋聯(lián)、偏轉(zhuǎn)）。-晶須/纖維增韌（如碳纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料）：晶須/纖維通過拔出、橋聯(lián)吸收能量，裂紋擴(kuò)展需繞過增強(qiáng)體，增加斷裂功。4.高分子鏈柔順性對力學(xué)性能的影響：-柔順性高→Tg低（鏈段易運(yùn)動，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低）；模量低（鏈段易變形）；斷裂伸長率大（鏈可拉伸取向）。-柔順性低→Tg高（鏈段剛性大，需更高溫度激活運(yùn)動）；模量大（鏈不易變形）；斷裂伸長率?。ㄦ湺坞y以取向，易脆性斷裂）。例如，聚乙烯鏈柔順性高，表現(xiàn)為低模量、高延展性；聚苯乙烯鏈剛性大，表現(xiàn)為高模量、低伸長率。5.復(fù)合材料增強(qiáng)相與基體的選擇及匹配原則：-增強(qiáng)相選擇：根據(jù)目標(biāo)性能（如強(qiáng)度、剛度、導(dǎo)熱）選擇纖維（碳纖維、玻璃纖維）、顆粒（SiC、Al?O?）或晶須（SiC晶須）。例如，需高模量選碳纖維，需耐磨選SiC顆粒。-基體選擇：金屬（高韌性）、陶瓷（耐高溫）、高分子（易成型）。例如，航空結(jié)構(gòu)件常用樹脂基（輕）或金屬基（耐高溫）。-匹配原則：①物理匹配（熱膨脹系數(shù)相近，減少殘余應(yīng)力）；②化學(xué)匹配（界面反應(yīng)可控，避免過度反應(yīng)導(dǎo)致弱界面）；③力學(xué)匹配（基體強(qiáng)度/韌性足夠傳遞載荷至增強(qiáng)相）；④工藝匹配（增強(qiáng)相與基體的加工溫度、相容性適應(yīng)）。四、綜合題1.5G基站高導(dǎo)熱低膨脹散熱材料設(shè)計(jì)：-材料體系：采用Cu-W復(fù)合材料（銅基+鎢顆粒）或Al-SiC復(fù)合材料（鋁基+碳化硅顆粒）。-設(shè)計(jì)依據(jù)：Cu熱導(dǎo)率高（~400W/(m·K)），但CTE大（~17×10??/℃）；W熱導(dǎo)率較高（~170W/(m·K)），CTE低（~4.5×10??/℃）。通過調(diào)整W顆粒體積分?jǐn)?shù)（如50%~70%），可使復(fù)合材料熱導(dǎo)率＞200W/(m·K)，CTE降低至8×10??/℃以下。Al-SiC體系中，Al熱導(dǎo)率~237W/(m·K)，CTE~23×10??/℃；SiC熱導(dǎo)率~490W/(m·K)，CTE~4.7×10??/℃，通過高體積分?jǐn)?shù)SiC（如50%~60%）可滿足要求。-結(jié)構(gòu)控制：需保證增強(qiáng)相（W或SiC）均勻分布，避免團(tuán)聚，減少界面熱阻。界面需弱結(jié)合（如Cu-W體系）或適度反應(yīng)（如Al-SiC體系中提供Al4C3薄層），以平衡熱導(dǎo)和CTE。-制備工藝：采用粉末冶金（混粉→冷壓→燒結(jié)）或熔滲法（預(yù)制W/SiC多孔體→熔滲Cu/Al）。熔滲法可獲得高致密度，減少孔隙對熱導(dǎo)的影響。2.鋁合金海洋環(huán)境點(diǎn)蝕原因分析及改進(jìn)措施：-原因分析：①材料本身：鋁合金中存在第二相（如Mg2Si、Al-Fe-Si相），與基體電位差大（第二相為陰極，基體為陽極），易形成微電池；表面氧化膜不完整（如Cl?破壞氧化膜），局部暴露基體。②環(huán)境因素：海洋環(huán)境中Cl?濃度高，Cl?吸附在氧化膜缺陷處，與Al3+結(jié)合形成可溶性AlCl3，破壞氧化膜；溶液中溶解氧促進(jìn)陰極反應(yīng)（O?+2H?O+4e?→4OH?），加速腐蝕。③服役條件：零件表面存在劃痕、應(yīng)力集中（如加工殘余應(yīng)力），導(dǎo)致氧化膜局部破裂；停滯溶液（如凹坑處）中Cl?濃縮，加劇點(diǎn)蝕發(fā)展。-改進(jìn)措施：①合金化：添加Cr、Mo等元素（如5系A(chǔ)l-Mg合金中加Cr