(2025年)材料概論習(xí)題及答案一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列材料中，屬于功能材料的是（）A.Q235結(jié)構(gòu)鋼B.壓電陶瓷C.高密度聚乙烯（HDPE）D.6061鋁合金2.表征材料抵抗彈性變形能力的性能參數(shù)是（）A.強度B.硬度C.彈性模量D.斷裂韌性3.高分子材料的“老化”現(xiàn)象主要是由于（）A.分子鏈間氫鍵斷裂B.主鏈共價鍵的氧化或水解C.結(jié)晶度降低D.增塑劑揮發(fā)4.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5.下列制備工藝中，適用于制備單晶材料的是（）A.粉末冶金B(yǎng).區(qū)域熔煉法C.注射成型D.溶膠-凝膠法6.復(fù)合材料中“界面相”的主要作用是（）A.提高基體強度B.傳遞載荷并協(xié)調(diào)變形C.降低密度D.增強耐高溫性能7.評價材料抗腐蝕能力的關(guān)鍵指標(biāo)是（）A.極化曲線的自腐蝕電流密度B.維氏硬度C.熱膨脹系數(shù)D.電阻率8.下列屬于半導(dǎo)體材料的是（）A.二氧化硅B.單晶硅C.銅D.聚四氟乙烯9.形狀記憶合金的核心特性源于（）A.馬氏體相變可逆性B.位錯密度變化C.晶粒細(xì)化D.第二相析出10.生物醫(yī)用材料的“生物相容性”主要指（）A.材料與生物體組織無化學(xué)反應(yīng)B.材料力學(xué)性能與宿主組織匹配C.材料不引發(fā)免疫排斥且促進(jìn)組織修復(fù)D.材料可完全降解二、填空題（每空1分，共15分）1.材料按化學(xué)組成可分為金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和______四大類。2.材料的屈服強度是指材料開始發(fā)生______變形時的應(yīng)力。3.陶瓷的脆性主要源于其內(nèi)部______缺陷的存在及裂紋的快速擴展。4.高分子鏈的結(jié)構(gòu)包括近程結(jié)構(gòu)和遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)，其中遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)主要指______。5.金屬的結(jié)晶過程包括______和______兩個基本階段。6.材料的熱導(dǎo)率主要與______、______和晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。7.鋰離子電池的正極材料常用______（舉例一種），負(fù)極材料常用______。8.納米材料的“小尺寸效應(yīng)”會導(dǎo)致其熔點______（升高/降低）、磁性______（增強/減弱）。9.智能材料的核心特征是具有______、______和響應(yīng)功能。三、判斷題（每題1分，共10分）1.所有金屬材料在室溫下均為晶體結(jié)構(gòu)。（）2.玻璃屬于無機非金屬材料，其結(jié)構(gòu)為長程有序、短程無序。（）3.高分子材料的分子量越大，其強度和耐熱性一定越高。（）4.復(fù)合材料的性能一定優(yōu)于其單一組成相的性能。（）5.材料的疲勞破壞通常發(fā)生在遠(yuǎn)低于其抗拉強度的循環(huán)載荷下。（）6.半導(dǎo)體的電導(dǎo)率隨溫度升高而降低。（）7.金屬的塑性變形主要通過位錯的滑移和攀移實現(xiàn)。（）8.陶瓷的燒結(jié)過程中，晶粒長大有利于提高其強度。（）9.形狀記憶聚合物的記憶效應(yīng)主要依賴于其交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的可逆變化。（）10.生物降解材料的降解速率越快，越適合作為植入材料。（）四、簡答題（每題6分，共30分）1.比較金屬材料、陶瓷材料和高分子材料在鍵合方式上的差異，并分析其對力學(xué)性能的影響。2.簡述固溶強化的原理及主要影響因素。3.解釋“超塑性”現(xiàn)象及其產(chǎn)生條件。4.說明碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料（CFRP）的優(yōu)缺點，并列舉其典型應(yīng)用場景。5.分析新能源汽車動力電池對材料的核心性能要求（至少列出4項）。五、計算題（10分）已知某鋁合金的成分為94wt%Al（密度2.70g/cm3）和6wt%Cu（密度8.96g/cm3），假設(shè)合金中無孔隙且各組分體積可線性疊加，計算該鋁合金的理論密度（結(jié)果保留3位小數(shù)）。六、綜合分析題（15分）2025年，隨著5G通信和衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，高頻電路板對材料的性能提出了更高要求。請結(jié)合材料學(xué)原理，分析高頻電路板用基材需具備的關(guān)鍵性能，并說明聚酰亞胺（PI）和液晶聚合物（LCP）為何成為當(dāng)前主流選擇。答案及解析一、選擇題1.B（功能材料側(cè)重物理/化學(xué)功能，壓電陶瓷利用壓電效應(yīng)實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換）2.C（彈性模量E=σ/ε，反映材料抵抗彈性變形的能力）3.B（老化本質(zhì)是高分子主鏈共價鍵的斷裂或交聯(lián)，導(dǎo)致性能劣化）4.B（陶瓷以離子鍵（如NaCl）或共價鍵（如SiC）為主，鍵能高但無自由電子）5.B（區(qū)域熔煉法通過局部熔化-凝固提純并生長單晶，如半導(dǎo)體硅）6.B（界面相傳遞載荷，協(xié)調(diào)增強體與基體的變形，避免應(yīng)力集中）7.A（自腐蝕電流密度越小，材料腐蝕速率越低）8.B（單晶硅是典型半導(dǎo)體，禁帶寬度約1.1eV）9.A（形狀記憶合金通過馬氏體相變（低溫）和逆相變（高溫）實現(xiàn)形狀恢復(fù)）10.C（生物相容性包括血液相容、組織相容，需兼顧無毒性和生物活性）二、填空題1.復(fù)合材料2.塑性3.微裂紋（或“缺陷”）4.分子鏈的構(gòu)象（或“空間形態(tài)”）5.形核；長大6.電子運動；聲子傳播（或“晶格振動”）7.磷酸鐵鋰（或三元材料）；石墨（或硅碳復(fù)合材料）8.降低；增強9.感知；驅(qū)動（或“傳感”；“執(zhí)行”）三、判斷題1.×（非晶態(tài)合金如金屬玻璃為長程無序結(jié)構(gòu)）2.×（玻璃為長程無序、短程有序結(jié)構(gòu)）3.×（分子量過大可能導(dǎo)致加工困難，且超過臨界值后性能提升趨緩）4.×（復(fù)合材料性能可互補，但未必全面超越，如CFRP密度低于鋼但成本更高）5.√（疲勞破壞是循環(huán)載荷下的累積損傷，應(yīng)力遠(yuǎn)低于抗拉強度）6.×（半導(dǎo)體電導(dǎo)率隨溫度升高而增加，因載流子濃度上升）7.√（位錯滑移是金屬塑性變形的主要機制，高溫下可能發(fā)生攀移）8.×（晶粒過度長大可能導(dǎo)致晶界減少，裂紋易擴展，強度下降）9.√（形狀記憶聚合物通過可逆相（如結(jié)晶相）的熔化-凝固實現(xiàn)形狀記憶）10.×（降解速率需與組織修復(fù)速率匹配，過快可能引發(fā)炎癥）四、簡答題1.鍵合方式差異：金屬材料以金屬鍵為主（自由電子氣+正離子實）；陶瓷以離子鍵/共價鍵為主（強方向性、無自由電子）；高分子以分子間力（范德華力、氫鍵）和主鏈共價鍵為主（共價鍵強但分子間力弱）。力學(xué)性能影響：金屬鍵無方向性，允許原子滑移，故塑性好、強度中等；離子/共價鍵方向性強，位錯滑移困難，故陶瓷硬度高但脆性大；高分子主鏈共價鍵強，但分子間力弱，故彈性高、強度較低（結(jié)晶或交聯(lián)可提升）。2.固溶強化原理：溶質(zhì)原子融入基體形成固溶體，導(dǎo)致晶格畸變，阻礙位錯運動，從而提高材料強度。影響因素：溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸差異（尺寸差越大，畸變越強）、溶質(zhì)濃度（濃度越高，強化效果先增后減）、溶質(zhì)原子與基體的化學(xué)鍵合（間隙原子比置換原子強化更顯著）。3.超塑性：材料在特定條件下（如高溫、低應(yīng)變速率）表現(xiàn)出極大延伸率（>200%）而不發(fā)生頸縮的現(xiàn)象。產(chǎn)生條件：①細(xì)晶組織（晶粒尺寸<10μm），提供晶界滑移主導(dǎo)的變形機制；②合適溫度（0.5-0.7Tm，Tm為熔點），促進(jìn)原子擴散；③低應(yīng)變速率（10??-10?2s?1），避免裂紋快速擴展。4.CFRP優(yōu)點：比強度/比模量高（密度約1.5-2.0g/cm3，強度達(dá)3000MPa）、耐疲勞、耐腐蝕；缺點：成本高、層間剪切強度低、沖擊韌性較差。典型應(yīng)用：航空航天（飛機蒙皮、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)）、體育器材（高爾夫球桿、自行車架）、新能源（風(fēng)電葉片）。5.核心性能要求：①高能量密度（提高續(xù)航）；②高功率密度（支持快充）；③循環(huán)穩(wěn)定性（≥2000次循環(huán)容量保持率>80%）；④安全性（抗過充/過放、熱穩(wěn)定性好，如熱失控溫度>200℃）；⑤環(huán)境適應(yīng)性（寬溫域-40℃~60℃性能穩(wěn)定）。五、計算題設(shè)合金總質(zhì)量為100g，則Al質(zhì)量m?=94g，體積V?=94/2.70≈34.815cm3；Cu質(zhì)量m?=6g，體積V?=6/8.96≈0.670cm3。合金總體積V=V?+V?≈35.485cm3，理論密度ρ=100/35.485≈2.818g/cm3。六、綜合分析題高頻電路板基材關(guān)鍵性能：①低介電常數(shù)（Dk<3.0）和低介電損耗因子（Df<0.001），減少信號傳輸延遲和能量損耗；②高耐熱性（Tg>200℃），適應(yīng)焊接及長期工作溫度；③低吸濕性（吸水率<0.5%），避免介電性能隨環(huán)境濕度變化；④尺寸穩(wěn)定性（熱膨脹系數(shù)CTE≤15ppm/℃），防止熱循環(huán)下線路變形；⑤良好的加工性（可精密刻蝕）。PI成為主流的原因：①本征介電性能優(yōu)異（Dk≈3.5，Df≈0.003），通過氟改性可進(jìn)一步降低；②耐高溫（Tg>300℃，分解溫度>500℃）；③力學(xué)性能好（拉伸強度>100MPa），適合柔性電路板；④工藝成熟，與銅箔結(jié)合力強。LCP成為主流的原因：①更低的