2025年大学《资源化学》专业题库- 金属材料表面处理与改性

2025年大学《资源化学》专业题库——金属材料表面处理与改性考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项字母填在题后括号内）1.下列哪种现象是由于金属表面存在表面张力引起的？()A.液滴在表面皿上呈球状B.钢丝能被细线悬挂C.水能浸润玻璃表面D.气体在固体表面的吸附2.等离子体表面处理技术中，离子注入的主要目的是？()A.利用等离子体的高温熔化表面B.通过辉光放电沉积薄膜C.将特定离子注入材料表面，改变其成分或结构D.利用等离子体辉光中的紫外线进行光刻3.电镀过程中，溶液中的阳离子在阴极上得电子析出的过程称为？()A.沉积B.氧化C.还原D.电解4.激光表面处理中，改变材料表面性能主要依靠的是激光与材料相互作用的哪种效应？()A.热效应B.光化学效应C.压力波效应D.以上都是5.化学气相沉积（CVD）技术的主要优点之一是？()A.沉积速率快B.对基材表面要求不高C.可以在复杂形状的基材上均匀沉积D.设备简单，成本低6.溶胶-凝胶法主要用于制备哪种类型的表面涂层？()A.金属镀层B.金属合金镀层C.陶瓷涂层D.高分子涂层7.提高金属耐磨性的表面处理方法是？()A.阳极氧化B.表面渗氮C.化学转化膜D.电镀锡8.在资源化学领域，对金属催化剂载体进行表面改性的主要目的是？()A.提高载体的机械强度B.降低载体的成本C.增大载体的比表面积，提高催化剂的负载量和活性D.增强载体的耐高温性能9.电化学腐蚀的本质是？()A.金属表面发生机械磨损B.金属表面发生化学分解C.金属失去电子被氧化的电化学过程D.金属表面产生应力集中10.下列哪种技术常用于提高金属的生物相容性？()A.表面抛光B.表面镀金C.表面等离子体氮化D.表面电化学抛光二、填空题（每空1分，共10分。请将答案填在题后横线上）1.金属表面层与其内部的化学成分______，或物理结构（如晶格缺陷、相组成）______，这种不均匀性称为表面现象。2.等离子体通常指______状态下的气体，其中包含大量的自由电子和正离子，有时还含有激发态原子、分子和自由基。3.电镀时，接电源______极的电极称为阴极，接电源______极的电极称为阳极。4.激光表面处理中，常用的激光类型有______激光、______激光和准分子激光等。5.溶胶-凝胶法的基本过程包括______、______、______和______。6.表面改性是指改变材料表面层的成分、结构或性能，而不改变其内部基体性质的技术。7.腐蚀是指金属材料与其接触环境发生化学反应或电化学反应而遭受破坏的现象。8.在资源化学中，表面处理技术可用于提高______效率，防止______，制备具有特定功能的______。9.表面性能的测试方法包括硬度测试、______测试、______测试等。10.离子注入的深度主要取决于______和______。三、名词解释（每题2分，共8分。请给出简洁、准确的定义）1.表面能2.吸附3.激光热处理4.化学转化膜四、简答题（每题6分，共18分）1.简述物理气相沉积（PVD）的基本原理及其与化学气相沉积（CVD）的主要区别。2.简述离子注入技术对金属材料表面性能可能产生的影响。3.简述金属发生电化学腐蚀的基本过程，并说明影响腐蚀速率的主要因素。五、计算题（10分）假设采用等离子体化学气相沉积（PCVD）方法沉积氮化硅（Si3N4）薄膜，反应室压力为0.1Pa，沉积温度为800℃。已知反应物硅烷（SiH4）和氨气（NH3）的流量分别为10SCCM和100SCCM(SCCM表示标准立方厘米每分钟)。若沉积速率（膜厚增长率）为5nm/min，请计算在该条件下沉积的氮化硅薄膜的厚度经过多长时间才能达到100nm？（假设沉积过程稳定，且反应物完全转化为产物，忽略薄膜内应力引起的膨胀或收缩）六、论述题（12分）论述表面处理与改性技术在提高资源回收与利用效率方面的作用，并结合资源化学领域的具体实例（如金属提取、催化、材料腐蚀防护等）进行说明。试卷答案一、选择题1.A2.C3.C4.D5.C6.C7.B8.C9.C10.C二、填空题1.不同；不同2.完全电离或部分电离3.负；正4.激光；电子束5.溶胶；凝胶；老化；干燥6.表面7.金属8.金属提取；金属腐蚀；功能材料9.耐蚀性；耐磨性10.注入离子的种类；注入能量三、名词解释1.表面能：金属表面层具有的比体相内部更大的能量，或单位表面积所具有的额外能量。2.吸附：物质（吸附质）分子从气相、液相或固相（吸附剂）表面层聚集的现象。3.激光热处理：利用激光束照射材料表面，通过吸收激光能量引起表面快速加热、相变或组织改变，以改善表面性能的表面处理技术。4.化学转化膜：金属零件在特定化学溶液中经过处理后，在其表面形成一层薄而致密的化合物薄膜，以提高其耐蚀性、耐磨性或其他性能。四、简答题1.解析思路：首先回答PVD原理：物理过程，气态物质在真空条件下被加热或被电子轰击产生蒸气，蒸气分子在基材表面沉积并凝华成固态薄膜。然后回答CVD原理：化学过程，反应气体在高温下发生化学反应生成固态薄膜沉积在基材表面。最后比较区别：沉积物来源（PVD为蒸气源，CVD为气体反应源）、环境（PVD通常需真空，CVD可在常压或低压）、成膜温度（CVD通常需要较高温度）、膜的性质与基材结合力（可能存在差异）。2.解析思路：从离子注入引入的物理化学变化入手：离子注入导致表面层晶格损伤、产生缺陷、改变表面成分、引入新元素。然后逐一分析对性能的影响：晶格损伤和缺陷可能提高硬度、耐磨性；引入的新元素（如N,C,B,D等）或改变原有元素分布，可通过固溶强化、表面相变、形成化合物等方式提高耐磨、耐蚀、耐高温等性能；离子注入可能改变表面的生物活性等。3.解析思路：首先描述电化学腐蚀的两大基本反应：阳极反应（金属失去电子，被氧化成离子溶解入电解液）；阴极反应（氧气或氢离子等在阴极得到电子，发生还原）。然后说明这两部分通过金属基体与电解液之间的电偶作用形成电流回路。最后指出影响速率的因素：金属本身的性质（电位、活性）、电解液环境（pH、离子浓度、存在杂质或缓蚀剂）、界面状态（存在腐蚀介质、应力等）、温度等。五、计算题解：已知沉积速率V=5nm/min=5x10^-7m/min目标膜厚d=100nm=100x10^-9m所需时间t=d/Vt=(100x10^-9m)/(5x10^-7m/min)t=0.2min将时间单位转换为秒：t=0.2minx60s/min=12s答：达到100nm厚度的氮化硅薄膜需要12秒。*(注：此计算结果基于题目给定的理想化条件，实际生产中受多种因素影响)*六、论述题解析思路：1.引言：点明表面处理与改性是材料科学的重要分支，在资源化学领域对于提高资源利用效率具有关键作用。2.提高金属提取效率：论述如何通过表面处理改善矿石/废料的可选性（如浮选药剂的选择性吸附、表面改性提高电化学浸出速率或选择性）、提高金属回收率（如电化学精炼中阴极表面改性提高电流效率、减少粗金属沉积）、减少环境污染（如采用绿色表面处理技术替代传统高污染工艺）。3.改善催化剂性能：论述如何通过表面改性增加催化剂的比表面积和活性位点（如载体表面沉积助剂、改变孔结构）、提高催化剂的稳定性和寿命（如表面涂层保护活性相）、调节催化剂的选择性（如表面官能团修饰）。4.功能