2025年大學《分子科學與工程》專業(yè)題庫——分子科學與工程的材料改性考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項的字母填在括號內(nèi)，每題2分，共20分）1.下列哪種方法不屬于化學改性？（）A.聚合物輻射接枝B.無機材料表面離子交換C.高分子材料真空熱處理D.金屬表面電鍍2.通過引入納米尺寸的填料顆粒來改善基體材料的性能，這種方法通常被稱為？（）A.接枝改性B.嵌段共聚C.填充復合改性D.功能化改性3.在聚合物材料改性中，使用引發(fā)劑或催化劑使聚合物分子鏈發(fā)生交聯(lián)，其主要目的是？（）A.提高材料的溶解度B.增強材料的強度和耐熱性C.改善材料的柔韌性D.增大材料的體積4.對于需要承受反復沖擊的結(jié)構(gòu)件，以下哪種改性方法可能最不適合？（）A.增韌改性B.力學強化改性C.熱處理（降低應(yīng)力）D.功能化表面處理5.X射線衍射（XRD）技術(shù)主要用于分析材料的？（）A.表面形貌B.微觀結(jié)構(gòu)缺陷C.晶體結(jié)構(gòu)與物相組成D.化學元素分布6.溶膠-凝膠法常用于制備陶瓷或玻璃材料，其主要優(yōu)勢之一是？（）A.可制備超細粉末B.可在較低溫度下合成C.對基體材料損傷較大D.成本通常很高7.等離子體技術(shù)用于材料改性時，其高能粒子或化學活性物質(zhì)主要起到的作用是？（）A.填充材料內(nèi)部空隙B.破壞材料表面原有結(jié)構(gòu)，并沉積新物質(zhì)C.均勻拉伸材料內(nèi)部應(yīng)力D.增加材料的導電性8.為了提高醫(yī)用植入物的生物相容性，通常會采用哪種改性策略？（）A.增強材料的耐磨性B.提高材料的耐腐蝕性C.改善材料的表面親水性或引入生物活性位點D.降低材料的密度9.相對于傳統(tǒng)的機械混合共混，聚合物/納米粒子復合改性的主要特點之一是？（）A.界面相容性好，無需額外處理B.納米粒子分散均勻，能更顯著地改善復合材料性能C.成本更低，工藝更簡單D.主要用于導電復合材料制備10.材料改性旨在改變材料的哪些方面以滿足特定應(yīng)用需求？（）A.僅改變材料的微觀結(jié)構(gòu)B.僅改變材料的化學組成C.改變材料的微觀結(jié)構(gòu)、化學組成或表面性質(zhì)D.增加材料的密度二、填空題（請將正確答案填在橫線上，每空2分，共20分）1.材料改性可以通過改變材料的________、________或________來實現(xiàn)性能的提升或功能的賦予。2.交聯(lián)是聚合物分子鏈之間形成化學鍵連接的過程，通常會使聚合物材料表現(xiàn)出更高的________和________。3.在制備陶瓷基復合材料時，常采用________或________等方法將增強體（如碳纖維、碳化硅纖維）引入基體中。4.表面改性技術(shù)主要針對材料的________進行處理，以改善其表面性能，如潤濕性、吸附性、生物相容性等。5.激光處理作為一種物理改性手段，可以通過調(diào)整激光參數(shù)來改變材料的________、________或________等特性。6.評價材料改性效果好壞的關(guān)鍵在于是否能夠有效提升材料的________或賦予其________。三、簡答題（請簡潔明了地回答下列問題，每題5分，共20分）1.簡述物理改性與化學改性在改性原理和方法上的主要區(qū)別。2.解釋什么是“增韌改性”，并舉例說明一種常用的增韌方法及其原理。3.闡述表面改性技術(shù)在提高材料耐磨性方面的作用機制。4.簡述選擇某種特定材料進行改性時，需要考慮哪些主要因素？四、論述題（請結(jié)合所學知識，全面深入地回答下列問題，每題10分，共30分）1.論述納米技術(shù)在家用高分子材料改性中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。2.詳細比較化學改性方法（如接枝、交聯(lián)、功能化）和物理改性方法（如共混、輻照、相變）在原理、設(shè)備要求、適用范圍及改性效果評價方面的異同。3.以一種你熟悉的具體材料（如聚合物、金屬或陶瓷）為例，設(shè)計一套完整的改性方案，包括改性目的、選擇的主要改性方法、預(yù)期達到的性能提升以及簡要的表征手段。---試卷答案一、選擇題1.C解析：化學改性是通過化學反應(yīng)改變材料化學結(jié)構(gòu)或組成的方法。選項A（聚合物輻射接枝）、B（無機材料表面離子交換）、D（金屬表面電鍍）都涉及化學鍵的形成或斷裂、元素的增加或取代，屬于化學改性。選項C（高分子材料真空熱處理）主要是物理過程中的熱效應(yīng)，可能引起分子鏈運動加劇、揮發(fā)分去除或發(fā)生輕微的物理交聯(lián)，但不屬于典型的化學改性。2.C解析：填充復合改性是指將納米或微米級的填料顆粒添加到基體材料中，通過物理或化學方式形成復合材料，利用填料與基體的相互作用來改善基體性能。選項A（接枝改性）是在主鏈上引入側(cè)基；選項B（嵌段共聚）是形成由不同聚合物段構(gòu)成的共聚物；選項D（功能化改性）是引入特定功能基團。選項C最符合題意。3.B解析：聚合物交聯(lián)后，分子鏈之間形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，限制了分子鏈的運動，使得材料更難發(fā)生形變，因此強度和耐熱性顯著提高。選項A（提高溶解度）通常不會發(fā)生，交聯(lián)反而降低溶解度；選項C（改善柔韌性）通常相反，交聯(lián)會降低柔韌性；選項D（增大體積）并非主要目的，體積變化可能很小。4.C解析：熱處理（特別是降低應(yīng)力的退火處理）通常會降低材料的強度和硬度，雖然可能改善韌性，但對于需要承受反復沖擊的結(jié)構(gòu)件，維持足夠的強度至關(guān)重要。選項A（增韌改性）、B（力學強化改性）直接提升所需性能。選項D（功能化表面處理）與材料整體力學性能關(guān)系不大。降低應(yīng)力的熱處理可能犧牲部分強度，不適合高沖擊場合。5.C解析：X射線衍射（XRD）是利用X射線與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象來研究材料的晶體結(jié)構(gòu)、物相組成、晶粒尺寸、晶格應(yīng)變等信息的強大技術(shù)。選項A（表面形貌）通常用SEM/STM；選項B（微觀結(jié)構(gòu)缺陷）可用XRD（如搖擺曲線分析應(yīng)變）、TEM等；選項D（化學元素分布）通常用EDS/EDX。XRD的核心是分析晶體信息。6.B解析：溶膠-凝膠法是一種在溶液、凝膠或溶膠狀態(tài)下合成材料的方法，其優(yōu)點之一是可以在相對較低的溫度下進行反應(yīng)和燒結(jié)，從而減少對材料性能的損害，并可能制備出均勻、細小的顆?；虮∧?。選項A（制備超細粉末）是其可能結(jié)果之一；選項C（對基體材料損傷較大）與其優(yōu)勢相反；選項D（成本通常很高）不一定，取決于具體體系和規(guī)模。7.B解析：等離子體是由部分或全部電離的氣體組成的準中性集合體，包含高能電子、離子、中性粒子、激發(fā)態(tài)原子和自由基等。這些高能粒子或活性化學物質(zhì)在材料表面轟擊或反應(yīng)，可以打破材料表面的化學鍵，去除表面污染物，并沉積或接枝新的物質(zhì)，從而改變表面性質(zhì)。選項A（填充空隙）不是主要機制；選項C（拉伸內(nèi)部應(yīng)力）不是表面處理直接效果；選項D（增加導電性）是特定改性目標，非主要作用機制。8.C解析：醫(yī)用植入物需要與人體組織長期接觸，生物相容性是關(guān)鍵指標。改善表面性質(zhì)，如增加表面親水性，可以促進細胞附著和生長；引入生物活性位點（如模擬骨磷灰石結(jié)構(gòu)、引入RGD序列），可以引導組織再生。選項A、B是性能要求，但不是表面改性策略本身；選項D（降低密度）通常不是提高生物相容性的主要手段。9.B解析：聚合物/納米粒子復合改性之所以能顯著改善性能，關(guān)鍵在于納米粒子的尺寸效應(yīng)和巨大的比表面積，使得它們能夠在基體中形成有效的界面結(jié)合，或者作為應(yīng)力傳遞的載體，從而對材料的力學、熱學、電學等性能產(chǎn)生比微米級填料或傳統(tǒng)共混更大的提升。選項A（界面相容性好）是效果的前提而非特點；選項C（成本更低，工藝更簡單）不一定；選項D（主要用于導電）是其中一種應(yīng)用，非全部。10.C解析：材料改性不僅可以通過物理方法改變材料的微觀結(jié)構(gòu)（如相態(tài)、晶粒大?。部梢酝ㄟ^化學方法改變其化學組成（如引入新元素、官能團），或者通過表面處理改變其表面性質(zhì)（如表面能、涂層）。綜合這些改變是為了使材料滿足特定的應(yīng)用需求。二、填空題1.微觀結(jié)構(gòu)，化學組成，表面性質(zhì)解析：材料改性可以從這三個維度入手，通過改變?nèi)魏我粋€或多個方面來實現(xiàn)性能的調(diào)控。2.強度，耐熱性解析：交聯(lián)形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)限制了分子鏈的運動，使得材料在受力時不易變形（強度增加），并且在高溫下也較難軟化（耐熱性提高）。3.噴涂，浸漬解析：噴涂法可以將涂層或填料均勻覆蓋在基材表面；浸漬法則是將基材浸泡在含有填料或涂料的溶液中，使填料進入基體內(nèi)部或沉積在表面。4.表面解析：表面改性專注于材料與外界接觸的表層區(qū)域（通常是納米到微米尺度），通過改變這層區(qū)域的性質(zhì)來改善材料與環(huán)境的相互作用。5.微觀結(jié)構(gòu)，成分，性能解析：激光處理可以通過能量沉積引起材料熔化、相變、氣化、擴散等，從而在微觀層面改變其結(jié)構(gòu)，在化學層面改變其成分（如摻雜），進而影響其力學、熱學、光學等宏觀性能。6.適用性，特定功能解析：改性的最終目的是讓材料能夠更好地適應(yīng)特定的工作環(huán)境（適用性），或者具備某些期望的特性（特定功能）。三、簡答題1.答：物理改性主要通過物理手段（如加熱、冷卻、輻照、機械作用、施加外場等）改變材料的物理狀態(tài)或微觀結(jié)構(gòu)（如相變、晶粒大小、缺陷狀態(tài)），不涉及化學鍵的斷裂和形成或化學組成的根本改變?；瘜W改性則利用化學反應(yīng)（如接枝、交聯(lián)、功能化、元素取代等）改變材料的化學結(jié)構(gòu)或組成，形成新的化學鍵或官能團。物理改性通常設(shè)備要求相對簡單，但可能改性程度有限；化學改性效果可能更根本，但反應(yīng)條件要求更苛刻，且可能引入新的化學物質(zhì)。2.答：增韌改性是指通過特定方法提高材料抵抗斷裂擴展能力，在承受沖擊或應(yīng)力集中時不易發(fā)生脆性斷裂的技術(shù)。常用的增韌方法包括：①形貌增韌，如在脆性基體中引入韌性相（如橡膠相、韌相），當基體開裂時，韌性相能夠吸收能量、鈍化裂紋尖或改變裂紋擴展路徑，如橡膠增韌聚合物；②本征增韌，通過改變材料自身結(jié)構(gòu)來提高韌性，如形成微孔洞、相分離結(jié)構(gòu)等，使裂紋擴展阻力增大，如多孔陶瓷；③改性增韌，通過化學改性如聚合物鏈段運動能力增強（如動態(tài)交聯(lián)）、引入柔性鏈段等提高韌性。其原理核心在于增加材料吸收能量的能力或改變裂紋擴展路徑，使材料在斷裂前能夠經(jīng)歷較大的變形。3.答：表面改性提高材料耐磨性的作用機制主要包括：①護罩效應(yīng)（SacrificialLayerMechanism）：在材料表面形成一層硬質(zhì)、耐磨的涂層或覆蓋層，如化學鍍層、物理氣相沉積（PVD）涂層、化學氣相沉積（CVD）涂層，磨損主要發(fā)生在這層保護層上，基體得到保護；②界面強化效應(yīng)：通過表面改性改變材料表面組織結(jié)構(gòu)，如提高表面硬度、形成細晶結(jié)構(gòu)、引入壓應(yīng)力層等，使表面本身更耐磨損；③減摩潤滑效應(yīng)：表面改性引入潤滑基團或形成自潤滑層（如石墨化層、氟化物層），降低摩擦系數(shù)，從而減少磨損；④韌化表面效應(yīng)：表面改性引入韌性相或改變表面應(yīng)力狀態(tài)，使表面在接觸載荷下不易發(fā)生疲勞裂紋或韌性斷裂，提高耐磨抗疲勞性。4.答：選擇材料進行改性時需要考慮的主要因素有：①材料的基體性質(zhì)：不同材料（金屬、陶瓷、聚合物）對各種改性方法的敏感性和適應(yīng)性不同，改性效果和難度各異；②改性目的：明確需要提升哪些性能（如強度、韌性、耐磨性、耐腐蝕性、導電性、生物相容性等）或賦予哪些功能；③改性方法的適用性：選擇對基體損傷小、效率高、成本合理的改性方法；④改性條件的限制：考慮溫度、壓力、時間、設(shè)備、環(huán)境等實際條件是否允許；⑤改性效果的表征與評價：選擇合適的表征手段來驗證改性效果；⑥成本效益分析：綜合考慮改性成本與性能提升帶來的價值；⑦環(huán)境影響與可持續(xù)性：考慮改性過程和改性后材料的環(huán)境友好性。四、論述題1.答：納米技術(shù)在家用高分子材料改性中已得到廣泛應(yīng)用，并呈現(xiàn)以下特點和發(fā)展趨勢：現(xiàn)狀：①納米填料（如納米SiO2、納米碳管、納米黏土）增強改性：顯著提高塑料的力學強度、模量、熱變形溫度和耐老化性；②納米復合材料：如納米透明導電膜（ITO納米顆粒/聚合物）、納米隔熱復合材料、納米抗菌塑料等，賦予材料導電、隔熱、抗菌等新功能；③表面納米改性：利用納米技術(shù)（如納米刻蝕、納米涂層）改善材料的耐磨性、自清潔性、抗污性等表面性能。發(fā)展趨勢：①功能化納米填料開發(fā)：合成具有特定功能（如導電、導熱、阻燃、傳感）的納米填料，實現(xiàn)更精準的功能調(diào)控；②核殼結(jié)構(gòu)納米復合：構(gòu)建核殼結(jié)構(gòu)的納米粒子，結(jié)合內(nèi)核的增強效應(yīng)和外殼的功能性，提高綜合性能；③自修復納米材料：將自修復功能單元引入材料或表面，使其在微小損傷后能自動修復，延長使用壽命；④綠色納米改性：開發(fā)環(huán)境友好的納米合成和改性方法，減少環(huán)境污染；⑤智能響應(yīng)納米材料：利用納米材料對溫度、濕度、光照等刺激的敏感性，開發(fā)智能調(diào)溫、自清潔等動態(tài)性能的家用材料。2.答：化學改性方法與物理改性方法的比較：原理：化學改性基于化學反應(yīng)，斷裂舊鍵、形成新鍵，改變化學組成和結(jié)構(gòu)；物理改性基于物理過程，如相變、擴散、機械應(yīng)力、能量場作用等，改變物理狀態(tài)或微觀結(jié)構(gòu)，化學鍵本身不一定斷裂。設(shè)備要求：化學改性通常需要反應(yīng)容器、加熱/冷卻系統(tǒng)、氣氛控制、攪拌等，有時需特殊催化劑或試劑；物理改性設(shè)備根據(jù)具體方法差異大，如熱處理爐、輻照源、機械研磨機、等離子體設(shè)備等。適用范圍：化學改性可針對多種材料，實現(xiàn)根本性的組成和結(jié)構(gòu)改變；物理改性對不同材料的適用性差異較大，如輻照改性對聚合物效果好，但可能降解；共混