2025年大學《分子科學與工程》專業(yè)題庫——分子科學與工程在智能制造中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.下列哪一項不屬于智能制造對材料科學提出的主要挑戰(zhàn)？A.開發(fā)具有自感知、自診斷、自修復功能的材料B.實現(xiàn)材料性能的精準調(diào)控以滿足微納制造需求C.降低高性能智能材料的成本以適應大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)D.確保材料在極端智能制造環(huán)境（高溫、高壓、高輻射）下的穩(wěn)定性2.形狀記憶合金（SMA）在智能制造裝備中的應用，主要利用了其哪種物理特性？A.高導電性B.高導熱性C.應變恢復能力D.磁性3.導電聚合物在智能制造中的傳感器制造領域具有優(yōu)勢，其主要原因在于：A.重量輕B.成本低廉C.對特定氣體或化學物質(zhì)具有選擇性和高靈敏度的電響應D.耐高溫4.在精密加工和微納制造中，原子力顯微鏡（AFM）的主要應用優(yōu)勢在于：A.能夠進行高速、大面積的成像B.可在液相或氣相環(huán)境中操作，甚至直接在水下觀察C.具有極高的分辨率，可達到原子級別，適用于納米結(jié)構(gòu)的表征D.成本相對較低5.增材制造（3D打?。┘夹g中，對光敏樹脂材料的分子設計與性能調(diào)控，主要關注其：A.熔點與沸點B.拉伸強度與硬度C.光固化速度、機械性能、耐化學性等D.導電性與導熱性6.涂層技術在智能制造裝備維護中的主要作用是：A.提高裝備的計算能力B.實現(xiàn)設備的遠程監(jiān)控C.增強裝備的耐磨、防腐蝕、自潤滑等性能，延長使用壽命D.改變裝備的顏色和外觀7.下列哪項技術不屬于分子傳感器的核心基礎？A.酶催化反應的特異性B.抗體與抗原的特異性結(jié)合C.離子選擇性電極的能斯特方程D.基于量子點發(fā)光的可逆猝滅8.在智能制造的在線質(zhì)量檢測環(huán)節(jié)，利用分子識別原理的傳感器主要目的是：A.檢測設備的運行溫度B.監(jiān)控生產(chǎn)環(huán)境的溫濕度C.實時檢測產(chǎn)品表面是否存在特定的缺陷、污染物或成分D.測量產(chǎn)品的重量9.納米材料在智能制造中的應用，一個重要的潛在優(yōu)勢是：A.易于大規(guī)模生產(chǎn)B.成本效益高C.可在宏觀尺度上顯著改變材料的力學、光學、電學等性能，實現(xiàn)性能的“飛躍”D.對環(huán)境完全友好10.生物制造或仿生制造在智能制造中可能的應用方向包括：A.利用生物酶催化合成智能材料B.設計具有生物結(jié)構(gòu)仿生功能的精密機械部件C.開發(fā)模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡的控制算法D.以上所有二、填空題1.智能制造強調(diào)制造過程的自動化、______、數(shù)字化和智能化。2.分子科學與工程通過在______層面理解和調(diào)控物質(zhì)性質(zhì)，為智能制造提供基礎。3.能夠感知外界刺激（如溫度、應力、光、化學物質(zhì)）并產(chǎn)生可測量響應的材料被稱為______材料。4.表面工程通過改變材料表面的______和______，賦予其特殊功能，在智能制造中應用廣泛。5.原子力顯微鏡（AFM）通過檢測探針與樣品表面之間的______力來成像，可獲得極高的分辨率。6.在增材制造中，光敏樹脂等材料的分子設計需要考慮其光固化機理、化學結(jié)構(gòu)與其最終形成的______性能之間的關系。7.分子傳感器通?；谔囟ǖ腳_____識別機制，實現(xiàn)對目標分析物的檢測。8.納米技術在智能制造中的應用不僅限于材料本身，也體現(xiàn)在利用納米工具（如納米探針）進行______和操縱。9.智能制造對材料的要求不僅包括傳統(tǒng)的力學、物理性能，還強調(diào)其______、自適應性等。10.利用形狀記憶合金的______效應，可以實現(xiàn)驅(qū)動器的微型化和智能化控制。三、簡答題1.簡述導電聚合物在智能制造中用于制造氣體傳感器的基本原理。2.簡述表面工程技術在提高智能制造裝備耐磨性方面的作用機制。3.簡述增材制造（3D打?。┲?，材料（以光敏樹脂為例）的分子設計對其最終性能的影響。4.簡述分子傳感器在智能制造過程中的一個具體應用實例及其價值。四、論述題1.論述分子層面的理解如何指導智能材料在精密微納制造中的應用。2.論述表面工程技術在提升智能制造產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的重要性，并舉例說明。3.結(jié)合實例，論述納米技術在未來智能制造發(fā)展中的潛在作用和面臨的挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.C4.C5.C6.C7.D8.C9.C10.D二、填空題1.信息化2.原子、分子3.智能響應4.結(jié)構(gòu)，化學組成5.接觸6.力學7.分子8.表征9.智能化10.應變恢復三、簡答題1.解析思路：導電聚合物具有獨特的能帶結(jié)構(gòu)和離子導電性，其導電狀態(tài)對環(huán)境中的特定氣體分子具有選擇性。當目標氣體分子吸附到聚合物表面并與聚合物鏈發(fā)生相互作用（如紅ox反應、物理吸附導致鏈段運動變化）時，會引起聚合物分子鏈結(jié)構(gòu)、共軛體系或離子遷移通道的變化，進而導致其電阻值發(fā)生顯著、可逆的變化。通過測量電阻變化，即可實現(xiàn)對目標氣體的檢測。2.解析思路：表面工程技術通過在材料表面構(gòu)筑特定的微觀結(jié)構(gòu)（如金字塔、錐形、柱狀結(jié)構(gòu)）和化學組成（如形成硬質(zhì)、耐磨的氧化層、氮化層或沉積超硬涂層），可以有效改變材料表面的摩擦系數(shù)和抗刮擦能力。硬質(zhì)表層能夠抵抗磨粒磨損和粘著磨損，而特定的表面形貌可以減少接觸點，降低摩擦生熱和磨損率。此外，自潤滑涂層（如含氟聚合物、MoS2）的引入可以在表面形成潤滑膜，進一步降低摩擦系數(shù)，提高耐磨性和運動精度。3.解析思路：增材制造中，光敏樹脂的性能（如固化速度、力學強度、韌性、耐熱性、收縮率等）與其分子結(jié)構(gòu)密切相關。例如，分子鏈的長度和支化程度影響材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和力學性能；交聯(lián)密度是決定固化后材料硬度和強度的關鍵因素；單體類型（如丙烯酸酯、環(huán)氧樹脂）決定了固化機理和最終材料的化學穩(wěn)定性；共聚物的組成和比例可以調(diào)控材料的力學性能和光學性能；添加的納米填料（如納米二氧化硅）可以顯著增強材料的力學強度和耐磨性。因此，需要根據(jù)應用需求，精心設計樹脂的分子結(jié)構(gòu)，以獲得所需的綜合性能。4.解析思路：實例：在半導體芯片制造過程中，利用原子力顯微鏡（AFM）的納米壓痕功能，可以在制造過程中或制造后，對芯片表面的特定納米結(jié)構(gòu)（如晶體管柵極、觸點）進行硬度、模量等力學性能的原位、局域表征。這有助于實時監(jiān)控工藝參數(shù)對器件性能的影響，確保制造質(zhì)量。價值：AFM能夠提供比傳統(tǒng)宏觀測試方法更精確的表面物質(zhì)局部性質(zhì)信息，對于尺寸在納米量級的智能制造產(chǎn)物，其性能表征和過程控制至關重要。四、論述題1.解析思路：智能材料是智能制造的關鍵使能技術，其核心在于材料本身具有感知、驅(qū)動或自適應的能力，這源于材料在分子層面的獨特結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。在精密微納制造中，分子層面的理解指導著：首先，根據(jù)所需的功能（如驅(qū)動、傳感、自適應）選擇或設計具有相應分子結(jié)構(gòu)和特性的智能材料；其次，理解材料在微觀尺度下的力學行為、變形機制、能量轉(zhuǎn)換過程（如應力誘導相變、光致變色），以確保其在微納尺度制造和使用過程中的可靠性和性能；再次，利用分子模擬等計算工具預測和優(yōu)化材料的微觀結(jié)構(gòu)與其宏觀智能行為的關系，指導材料的設計與制備；最后，開發(fā)與智能材料相匹配的微納制造工藝（如微納加工、3D打?。跃_構(gòu)建所需的功能結(jié)構(gòu)?？傊钊肜斫獠牧系姆肿訉用嫣匦?，是實現(xiàn)其智能功能在智能制造中有效應用的基礎。2.解析思路：表面工程技術在提升智能制造產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性方面起著至關重要的作用。首先，通過表面改性或沉積特殊涂層，可以顯著提高產(chǎn)品表面的耐磨性、耐腐蝕性、耐高溫性等，從而延長產(chǎn)品的使用壽命，減少因表面損傷導致的故障，提高產(chǎn)品的可靠性。例如，對精密機床導軌進行氮化處理，可大幅提高其耐磨性和抗疲勞性；對電子元器件進行絕緣涂層處理，可防止短路，提高可靠性。其次，表面工程可以改善產(chǎn)品的表面性能，滿足特定功能要求，從而提升產(chǎn)品質(zhì)量。例如，通過表面織構(gòu)化提高潤滑油的油膜保持能力，改善軸承的潤滑效果；通過鍍膜（如硬度膜、反射膜）改變產(chǎn)品外觀或光學特性。再次，在微電子制造中，精確控制的表面潔凈度和均勻性是保證芯片性能和良率的關鍵，表面工程技術（如清洗、蝕刻、沉積）在其中扮演核心角色。最后，表面工程還可以賦予產(chǎn)品新的功能，如自清潔、抗菌、防污、抗靜電等，這些功能直接提升了產(chǎn)品的附加值和市場競爭力。綜上所述，表面工程通過優(yōu)化材料表面特性，對提高智能制造產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性具有多方面的關鍵作用。3.解析思路：納米技術以其在原子和分子尺度上操控物質(zhì)的能力，為未來智能制造帶來了諸多潛在作用。在材料方面，納米材料（如碳納米管、石墨烯、納米金屬氧化物）通常具有優(yōu)異的力學、光學、電學、磁學等性能，將其作為增強相、功能填料或直接作為功能材料，可以顯著提升傳統(tǒng)材料的性能，或創(chuàng)造具有全新功能的新型智能材料，滿足智能制造對高性能、多功能材料的需求。在制造方面，納米技術提供了納米尺度的加工和操控工具，如原子層沉積（ALD）、分子束外延（MBE）、納米壓印等，使得制造具有納米級結(jié)構(gòu)、功能的器件和系統(tǒng)成為可能，推動了微納制造和增材制造的發(fā)展。在傳感與檢測方面，基于納米結(jié)構(gòu)的傳感器（如納米線、納米顆粒、量子點）具有高靈敏度、快速響應、體積小、功耗低等優(yōu)點，可用于制造更智能、更精密的在線檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)智能制造過程中對物料、環(huán)境、工藝參數(shù)的實時、