2025年大学《分子科学与工程》专业题库- 分子科学与工程涂层材料

2025年大学《分子科学与工程》专业题库——分子科学与工程涂层材料考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项的字母填在题后的括号内）1.下列哪种涂层制备方法属于物理气相沉积（PVD）技术？（）A.喷涂B.化学气相沉积C.气相沉积D.电镀2.在涂层材料中，主要起到增强涂层与基体结合力作用的是？（）A.颜料B.助剂C.过渡层D.增韧剂3.下列哪种性能不是涂层材料必须具备的基本性能？（）A.耐候性B.电绝缘性C.强度D.生物相容性（对非生物医学应用）4.涂层厚度通常在几微米到几十微米的范围，这种厚度主要依靠哪种涂覆方法获得？（）A.电镀B.气相沉积C.浸涂D.喷涂5.能显著提高涂层耐磨性的方法之一是？（）A.增加涂层厚度B.在涂层中添加硬质相C.降低涂层与基体的结合力D.使用软质基体材料6.下列哪种涂层主要用于防止金属基体发生电化学腐蚀？（）A.防腐涂料B.隔热涂料C.导电涂料D.防静电涂料7.关于涂层材料的功能，以下描述错误的是？（）A.可以改善材料的力学性能B.可以赋予材料特殊的光学效果C.可以提高材料的成本D.可以保护材料免受化学侵蚀8.陶瓷涂层通常具有优异的耐高温性能，这主要得益于其？（）A.高导电性B.低的热膨胀系数C.高的密度D.良好的塑性9.涂层附着力测试常用的标准方法包括？（）A.硬度测试B.耐候性测试C.粘附力测试（如划格法、拉开法）D.热膨胀系数测试10.下列哪种分子设计策略旨在提高聚合物的耐化学腐蚀性？（）A.增加分子链柔顺性B.引入亲水基团C.提高分子量D.引入化学惰性基团或交联二、填空题（每空2分，共10分。请将答案填写在横线上）1.涂层材料按化学成分可分为有机涂层、______涂层和金属涂层。2.影响涂层耐腐蚀性的因素包括涂层本身的______、致密性以及与基体的结合力。3.______是一种通过加热熔融和快速冷却，在基体表面形成硬化层的技术，有时也用于制备涂层。4.涂层材料的________是指涂层抵抗机械磨损的能力。5.在化学气相沉积（CVD）过程中，前驱体分子在基体表面发生________、表面反应和脱附等步骤。三、名词解释（每题3分，共12分。请给出每个术语的简要定义）1.涂层2.附着力3.耐候性4.物理气相沉积四、简答题（每题6分，共18分）1.简述影响涂层与基体之间附着力的主要因素。2.与有机涂层相比，陶瓷涂层在性能上有哪些主要优势？3.简述喷涂涂层制备技术的原理及其主要特点。五、计算题（10分）假设采用化学气相沉积（CVD）方法制备一层厚度为1微米（1µm=10⁻⁶m）的氮化硅（Si₃N₄）涂层，已知沉积速率为0.5纳米每分钟（nm/min），且该速率在整个沉积过程中保持恒定。请计算完成该涂层制备大约需要多少时间？（结果以小时为单位，保留一位小数）六、论述/设计题（20分）结合所学知识，论述分子设计在开发新型高性能涂层材料中的重要性。请选择一种特定的应用场景（如航空航天、生物医疗、电子封装等），说明针对该场景需求，应如何从分子结构设计的角度出发，来调控涂层的关键性能（至少列举两项性能），并简述可能的设计思路。试卷答案---一、选择题1.C*解析：物理气相沉积（PVD）是指通过物理过程将气态物质或固态物质源蒸发或离子化，然后在基体表面沉积形成薄膜的技术。化学气相沉积（CVD）是化学过程，电镀是电化学过程，喷涂主要是机械过程。2.C*解析：过渡层通常是由与基体和涂层都具有良好的结合性能的特殊材料构成，能有效促进涂层与基体的结合，防止脱落。3.D*解析：耐候性、电绝缘性、强度都是涂层常见的性能要求。对于非生物医学应用的涂层，生物相容性通常不是必需的。4.D*解析：喷涂（包括空气喷涂、无气喷涂、静电喷涂等）是将涂料雾化后喷射到基体表面，是获得微米级厚度涂层的常用方法。5.B*解析：在涂层中引入硬度高的硬质相（如碳化物、氮化物等）是提高涂层耐磨性的有效途径。6.A*解析：防腐蚀涂料的主要功能是隔绝基体与腐蚀介质（如氧气、水、酸碱等）的接触，防止金属基体发生电化学腐蚀。7.C*解析：涂层的主要目的是改善材料性能或赋予其特殊功能，通常可以降低成本，而不是提高成本。8.B*解析：陶瓷材料通常具有低热膨胀系数，这有助于在温度变化时保持涂层与基体的良好匹配，防止开裂，从而表现出优异的耐高温性能。9.C*解析：划格法、拉开法（AdhesionTapeTest）等都是直接测量涂层与基体结合强度的常用标准测试方法。硬度测试、耐候性测试、热膨胀系数测试是评价涂层本身性能的方法。10.D*解析：引入化学惰性基团（如-CH₃）或进行交联可以提高聚合物链段的运动能垒，降低反应活性，从而增强耐化学腐蚀性。二、填空题1.金属*解析：涂层按化学成分主要分为有机高分子涂层、金属涂层和陶瓷涂层。2.化学稳定性*解析：涂层抵抗化学介质侵蚀的能力称为化学稳定性，它与耐腐蚀性密切相关。3.气相沉积*解析：气相沉积（VaporDeposition）包括物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD），其原理与等离子体增强气相沉积（PlasmaVaporDeposition）相关，有时广义上也包含等离子体溅射等。4.耐磨性*解析：抵抗机械磨损的能力即为耐磨性。5.沉积/分解*解析：在CVD过程中，前驱体分子从气相到固相的转化过程涉及在基体表面的沉积、分解（或化学反应）以及产物脱附。三、名词解释1.涂层：在物体表面涂覆一层连续的、薄的覆盖物，通常以涂料形式施加，目的是为了改善其表面性能或保护基体。2.附着力：指涂层与其附着的基体之间结合的牢固程度，是评价涂层性能的重要指标，决定了涂层是否容易脱落或起泡。3.耐候性：指涂层在自然环境（如紫外线、温度变化、湿度、雨水等）作用下，其性能（如外观、力学性能、化学稳定性等）保持稳定的能力。4.物理气相沉积：指利用物理手段（如加热蒸发、辉光放电溅射等）将物质源转化为气态或离子态，然后在基体表面沉积形成薄膜的技术。四、简答题1.简述影响涂层与基体之间附着力的主要因素。*解析思路：从界面角度分析。涂层材料与基体材料的性质差异、界面结合状态、表面能、以及涂层厚度与内应力等都会影响附着力。*答案要点：*基体与涂层材料的物理化学性质（如成分、结构、表面能）差异。*界面结合状态（机械锁扣、化学键合）。*基体表面预处理（清洁度、粗糙度）。*涂层自身内应力。*涂层厚度与界面宽度。2.与有机涂层相比，陶瓷涂层在性能上有哪些主要优势？*解析思路：对比有机涂层的常见弱点，突出陶瓷涂层的优异性能。从化学稳定性、力学性能、耐高温性、耐磨损性等方面比较。*答案要点：*耐化学腐蚀性更好，尤其是耐酸碱和溶剂侵蚀能力。*耐高温性能优异，熔点高，热稳定性好。*耐磨损性和硬度通常更高。*耐候性（抗紫外线老化）通常更好。*电气绝缘性能优异。3.简述喷涂涂层制备技术的原理及其主要特点。*解析思路：描述喷涂过程的核心步骤（雾化、输送、沉积）。分析其优缺点，如效率、厚度控制、对基体的要求等。*答案要点：*原理：将液态或半固态涂料通过喷枪雾化，然后高速喷射到基体表面，涂料干燥或固化后形成涂层。*主要特点：*沉积速率快，生产效率高。*可用于各种形状复杂基体的涂覆。*对基体的适用性较广，但可能对基体产生冲击。*涂层厚度容易控制，但均匀性可能不如某些方法。*可选用多种类型的涂料。五、计算题*解析思路：首先统一单位，将沉积速率换算为微米/小时或纳米/小时。然后用总厚度除以速率得到时间。注意单位的换算。*计算过程：*沉积速率=0.5nm/min=0.5×10⁻³µm/min*沉积时间=涂层厚度/沉积速率*沉积时间=(1µm)/(0.5×10⁻³µm/min)*沉积时间=2000min*沉积时间=2000min/(60min/hour)≈33.3hours*答案：大约需要33.3小时。六、论述/设计题*解析思路：首先阐述分子设计对于实现特定涂层性能的重要性，强调结构-性能关系。然后选择一个具体应用场景，分析该场景对涂层性能的关键要求。接着，针对这些要求，提出具体的分子结构设计策略（如引入特定基团、调节分子量、改变交联方式等），并简述其预期效果。需要逻辑清晰，论据合理。*答案要点：*论述部分：*分子设计是调控聚合物或功能材料宏观性能的基础。通过精确控制分子的化学组成、结构（链构、序列结构等）和物理状态，可以实现对涂层光学、力学、热学、电学、化学以及生物学等性能的定制化设计，满足特定应用需求。*分子设计使得开发高性能、多功能、甚至智能响应性涂层成为可能，是推动涂层材料领域发展的关键技术。*设计实例（选择一个场景）：*场景示例：航空航天领域使用的耐高温隔热涂层。*关键性能要求：*极高的耐高温性（如能在2000°C以上保持结构稳定和隔热性能）。*良好的热稳定性（不易分解、氧化）。*一定的力学强度和抗热震性。*良好的红外反射率（以实现高效隔热）。*分子设计策略：*针对耐高温性：设计含有高熔点、高分解温度的化学键（如Si-O,Al-O,Si-N,C-C主链）的聚合物或陶瓷前驱体。引入耐高温的杂环结构（如硅杂环、氮杂环）或稠环结构。*针对热稳定性：引入能够增强分子间作用力或形成稳定网络结构的基团（如强极性基团、交联点），提高热分解温度。选择惰性气体元素（如氦、氖）或形成Si-O-Si,Si-N-Si等稳定骨