2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——應(yīng)用化學(xué)在材料表面改性中的研究方法考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填在題干后的括號(hào)內(nèi)）1.下列哪一項(xiàng)不屬于材料表面改性的主要目的？(A)提高材料的耐磨性(B)改善材料的導(dǎo)電性(C)增強(qiáng)材料與環(huán)境的結(jié)合力(D)降低材料的密度2.在等離子體表面改性中，利用輝光放電產(chǎn)生等離子體的主要優(yōu)勢(shì)是？(A)能量密度高，適合處理大面積樣品(B)放電穩(wěn)定，易于精確控制反應(yīng)參數(shù)(C)可在較高溫度下進(jìn)行改性(D)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉3.與化學(xué)氣相沉積（CVD）相比，物理氣相沉積（PVD）方法通常得到的薄膜具有？(A)更高的致密度和硬度(B)更好的透明度和導(dǎo)電性(C)更低的沉積溫度和速率(D)更強(qiáng)的與基體材料的結(jié)合力4.X射線光電子能譜（XPS）主要用于分析材料表面的？(A)元素組成和化學(xué)態(tài)(B)微觀形貌和晶體結(jié)構(gòu)(C)熱穩(wěn)定性和氧化還原性(D)介電常數(shù)和導(dǎo)電率5.溶膠-凝膠法進(jìn)行表面改性時(shí)，通常使用的溶劑不包括？(A)水(B)乙醇(C)甲苯(D)丙酮6.離子注入表面改性相比其他方法，其主要特點(diǎn)是？(A)改性層較厚，可達(dá)微米級(jí)(B)能量沉積深度可控，可達(dá)到納米甚至亞納米級(jí)(C)改性過(guò)程通常在高溫下進(jìn)行(D)改性后材料表面硬度普遍降低7.在表面改性過(guò)程中，接觸角測(cè)量主要用于評(píng)估材料的？(A)晶體結(jié)構(gòu)和缺陷類型(B)表面能高低和潤(rùn)濕性(C)熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能(D)電磁響應(yīng)和光學(xué)特性8.下列哪種表面改性技術(shù)屬于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）的范疇？(A)熱蒸發(fā)沉積(B)等離子體輔助激光沉積(C)直流磁控濺射(D)高頻等離子體化學(xué)氣相沉積9.為了提高金屬基材料的生物相容性進(jìn)行表面改性時(shí)，常采用的方法是？(A)表面滲氮(B)氧化鋁（Al?O?）涂層涂覆(C)表面激光淬火(D)噴涂聚乙烯醇（PVA）10.影響化學(xué)氣相沉積（CVD）薄膜質(zhì)量的關(guān)鍵工藝參數(shù)通常不包括？(A)沉積溫度(B)前驅(qū)體流量(C)基板與襯底的距離(D)系統(tǒng)真空度二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在題干橫線上）1.表面改性是指通過(guò)物理或化學(xué)方法改變材料________表面層的結(jié)構(gòu)、成分或性能的技術(shù)。2.等離子體表面改性中，輝光放電通常在________壓力下進(jìn)行，而弧光放電則在________壓力下進(jìn)行。3.真空蒸鍍（VaporDeposition）是利用物質(zhì)的________狀態(tài)，在真空環(huán)境中將其蒸氣沉積到基板上形成薄膜的方法。4.X射線光電子能譜（XPS）分析得到的譜圖，其峰位對(duì)應(yīng)的是樣品表面元素原子的________能級(jí)。5.在溶膠-凝膠法中，溶膠是指________形成的穩(wěn)定分散體系，凝膠是指溶膠進(jìn)一步________形成的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。6.表面接枝改性是一種將帶有特定官能團(tuán)的聚合物鏈通過(guò)化學(xué)反應(yīng)________到材料表面的技術(shù)。7.離子注入改性時(shí)，入射離子的能量決定了其在材料中的________深度。8.為了表征材料的表面形貌，常使用________和原子力顯微鏡（AFM）等儀器。9.提高材料表面的________，通常可以增強(qiáng)其抗污能力和疏水性。10.在表面改性工藝參數(shù)優(yōu)化中，除了溫度、時(shí)間、壓力外，前驅(qū)體的________也是需要重點(diǎn)考慮的因素。三、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.表面能2.化學(xué)氣相沉積（CVD）3.接觸角4.等離子體5.表面改性層四、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述等離子體表面改性的基本原理及其與干法刻蝕的區(qū)別。2.比較物理氣相沉積（PVD）和化學(xué)氣相沉積（CVD）在設(shè)備要求、薄膜特性及應(yīng)用方面的主要差異。3.解釋什么是表面潤(rùn)濕性，并說(shuō)明接觸角測(cè)量在評(píng)估材料表面潤(rùn)濕性方面的作用。4.列舉三種常用的化學(xué)表面改性方法，并簡(jiǎn)述其中任意一種方法的原理。五、論述題（10分）結(jié)合具體應(yīng)用場(chǎng)景，論述選擇某種材料表面改性方法時(shí)需要考慮的主要因素有哪些？請(qǐng)舉例說(shuō)明。試卷答案一、選擇題1.(D)2.(B)3.(A)4.(A)5.(C)6.(B)7.(B)8.(D)9.(B)10.(C)二、填空題1.表面2.低；高3.蒸氣4.結(jié)合5.液體；交聯(lián)固化6.健康連接7.沉積8.掃描電子顯微鏡（SEM）9.疏水性10.化學(xué)性質(zhì)三、名詞解釋1.表面能：指液體表面分子比液體內(nèi)部分子具有的額外能量，或指使單位面積液體表面增加單位面積所需的能量，它反映了表面分子受到的不平衡內(nèi)力，是表面分子趨向于內(nèi)部以減小表面積的一種內(nèi)在屬性。2.化學(xué)氣相沉積（CVD）：指利用氣態(tài)物質(zhì)作為原料，在高溫或特定條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在基體表面沉積形成固態(tài)薄膜的一種技術(shù)。其過(guò)程包括前驅(qū)體氣體輸運(yùn)、表面吸附、表面反應(yīng)和成膜等步驟。3.接觸角：指液體與固體接觸處，液體表面切線與固體表面在接觸點(diǎn)處的切線所形成的夾角。它是一個(gè)表征固體表面潤(rùn)濕性的重要參數(shù)，接觸角越小，表示固體表面越親水（潤(rùn)濕性越好）；接觸角越大，表示固體表面越疏水（潤(rùn)濕性越差）。4.等離子體：指氣體被電離后形成的含有大量自由電子和正離子的、能導(dǎo)電的準(zhǔn)中性氣體集合體。它是一種特殊的物質(zhì)狀態(tài)，具有高能量、高反應(yīng)活性等特點(diǎn)，在表面改性、材料制備、光刻等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。5.表面改性層：指通過(guò)物理或化學(xué)方法在材料基體表面形成的一層具有特定結(jié)構(gòu)、成分或性能的薄層。這層薄膜與基體材料之間可能存在物理吸附或化學(xué)鍵合，用于改善或賦予材料表面新的功能。四、簡(jiǎn)答題1.等離子體表面改性的基本原理是利用低氣壓放電產(chǎn)生的等離子體（包含高能電子、離子、激發(fā)態(tài)粒子和中性粒子）作為活性物質(zhì)，與材料表面發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)，從而改變表面的結(jié)構(gòu)、成分或性能。等離子體中的高能粒子或活性化學(xué)物種能夠轟擊表面、濺射原子、引發(fā)化學(xué)反應(yīng)或促進(jìn)物質(zhì)注入，實(shí)現(xiàn)改性目的。其與干法刻蝕的主要區(qū)別在于：等離子體改性通常是使表面狀態(tài)發(fā)生改進(jìn)（如沉積、接枝、交聯(lián)），而干法刻蝕的目的是去除材料表面層，使表面形貌發(fā)生改變。2.物理氣相沉積（PVD）和化學(xué)氣相沉積（CVD）的主要差異在于：設(shè)備要求上，PVD設(shè)備通常需要在高真空環(huán)境下運(yùn)行，而CVD對(duì)真空度要求相對(duì)較低，甚至可在常壓下進(jìn)行（如AtmosphericPressureCVD）；薄膜特性上，PVD薄膜通常具有致密度高、硬度大、附著力較好、成分偏析少等優(yōu)點(diǎn)，但薄膜均勻性和致密性可能受限于物理過(guò)程，且難以沉積含氫或含氧量高的薄膜；CVD薄膜可以精確控制化學(xué)計(jì)量比，成分均勻，且易于沉積復(fù)雜化合物薄膜，但薄膜可能含有微裂紋或柱狀結(jié)構(gòu)，致密度和硬度相對(duì)較低；應(yīng)用上，PVD廣泛用于沉積硬質(zhì)涂層、裝飾性涂層、金屬薄膜等，而CVD常用于沉積半導(dǎo)體薄膜、功能陶瓷薄膜、金剛石薄膜等。3.表面潤(rùn)濕性是指液體在固體表面鋪展的能力，它反映了液體分子與固體分子之間的相互作用力。當(dāng)液體分子間的內(nèi)聚力小于或等于液體分子與固體分子間的附著力時(shí)，液體傾向于在固體表面鋪展，表現(xiàn)出良好的潤(rùn)濕性；反之，則傾向于收縮，表現(xiàn)出較差的潤(rùn)濕性。接觸角是定量描述表面潤(rùn)濕性的參數(shù)，接觸角越小，表示附著力越大，潤(rùn)濕性越好；接觸角越大，表示內(nèi)聚力相對(duì)較大或附著力較小，潤(rùn)濕性越差。因此，通過(guò)測(cè)量材料表面的接觸角，可以直觀地評(píng)估其潤(rùn)濕性，進(jìn)而了解材料的表面能高低和表面化學(xué)狀態(tài)，這對(duì)于預(yù)測(cè)和調(diào)控材料的粘附性能、抗污性能、生物相容性等至關(guān)重要。4.三種常用的化學(xué)表面改性方法包括：①偏振液相外延（PLD）；②溶膠-凝膠法；③原位化學(xué)鍍。其中，以溶膠-凝膠法為例，其原理是：首先將金屬醇鹽或無(wú)機(jī)鹽等前驅(qū)體溶解在溶劑中，形成均勻的溶膠（納米級(jí)粒子分散的液態(tài)體系）；然后通過(guò)加熱、水解、縮聚等化學(xué)反應(yīng)，使溶膠中的粒子相互連接、交聯(lián)，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟z（固態(tài)或半固態(tài)網(wǎng)絡(luò)）；最后通過(guò)干燥、熱處理等步驟，去除溶劑并固化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在材料表面形成一層無(wú)機(jī)或有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合薄膜。該方法工藝溫度相對(duì)較低，可在較低溫度下進(jìn)行，對(duì)基體材料的損傷小，且易于控制涂層成分和微觀結(jié)構(gòu)。五、論述題選擇某種材料表面改性方法時(shí)需要考慮的主要因素包括：①改性目的與應(yīng)用需求：首先要明確改性的具體目標(biāo)，例如是提高耐磨性、增強(qiáng)耐腐蝕性、改善生物相容性、增加潤(rùn)滑性、增強(qiáng)吸附能力還是賦予導(dǎo)電/導(dǎo)熱性能等。不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)表面性能的要求不同，需要選擇相應(yīng)的改性方法。例如，用于生物醫(yī)學(xué)植入物的材料需要優(yōu)異的生物相容性和抗菌性，可能選擇等離子體氧化或涂覆生物活性涂層的方法；而用于耐磨零件的材料則需要高硬度和低摩擦系數(shù)的表面層，可能選擇離子注入或類金剛石薄膜沉積的方法。②材料基體的性質(zhì)：基體材料的種類、成分、結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)以及熱穩(wěn)定性等都會(huì)影響改性方法的選擇。例如，對(duì)于金屬基材料，可以選擇等離子體噴涂、離子注入、化學(xué)氣相沉積等多種方法；而對(duì)于聚合物基材料，則可能更適合采用等離子體處理、溶膠-凝膠法、表面接枝等方法。此外，基體的熱穩(wěn)定性限制了改性工藝的最高溫度，而化學(xué)穩(wěn)定性則關(guān)系到改性層與基體之間以及改性層本身在服役環(huán)境中的耐腐蝕性。③改性方法的特性：需要考慮改性方法的原理、設(shè)備要求、工藝參數(shù)、成本效益、處理效率以及改性層與基體的結(jié)合力等因素。例如，等離子體方法能量高、反應(yīng)活性強(qiáng)，但設(shè)備投資大、工藝控制要求高；CVD方法可以精確控制薄膜成分，但沉積速率可能較慢；物理氣相沉積（PVD）設(shè)備相對(duì)成熟，但薄膜特性受限于物理過(guò)程。結(jié)合力是評(píng)價(jià)改性效果的關(guān)鍵指標(biāo)，需要選擇能夠形成牢固化學(xué)鍵合或良好物理吸附的方法。④環(huán)境與經(jīng)濟(jì)因素：改性過(guò)程的環(huán)境影響（如廢氣、廢水排放）和能耗以及最終產(chǎn)品的成本也是重要的考慮因素。綠色化學(xué)思想要求優(yōu)先選擇環(huán)境友好、能耗低、原子經(jīng)濟(jì)性高的改性方法。⑤后處理要求：改性后的材料是否需要進(jìn)行額外的處