北京舞蹈学院《材料科学基础(1)》2024-2025学年第二学期期末试卷(A卷)

北京舞蹈学院《材料科学基础(1)》2024-2025学年第二学期期末试卷(A卷)适用专业：北京舞蹈学院舞台美术系（演出空间设计方向、服饰与化装设计方向）、艺术与科技专业考试时长：120分钟满分：100分考试形式：闭卷注意事项：1.答题前，考生务必将自己的姓名、学号、班级填写在答题纸指定位置。2.所有答案必须写在答题纸对应区域内，写在试卷、草稿纸上均无效。3.考试结束后，将试卷和答题纸一并交回。一、名词解释（本大题共8小题，每小题3分，共24分）请结合舞台演出相关材料的应用场景解释以下概念，表述准确、逻辑清晰即可得分。1.玻璃化转变温度2.固溶强化3.临界晶核半径4.位错5.共晶反应6.蠕变7.间隙固溶体8.疲劳强度二、填空题（本大题共20个空，每空1分，共20分）请在空白处填写准确的材料参数、结构特征或性能规律，所有考点均结合本校舞美、演出场景设置。1.北京舞蹈学院标准练功房所用PVC舞蹈地板的主要基材为聚氯乙烯，其玻璃化转变温度约为____℃，长期使用温度不得高于该值，避免出现软化凹陷、摩擦力下降等影响舞蹈动作完成的问题。2.户外演出舞台常用的6061铝合金桁架的主要合金元素为____和____，经T6热处理（固溶处理+人工时效）后的抗拉强度可达310MPa，屈服强度可达276MPa，完全满足3m跨度内每平方米200kg的承重要求。3.舞服常用的氨纶纤维属于____（填材料结构类别：线型无定形高分子/交联高分子/离子晶体），其高弹性来源于分子链的卷曲-伸展构象变化，断裂伸长率可达500%-800%，适配舞蹈动作的大跨度肢体伸展需求。4.3D打印舞台道具常用的PLA（聚乳酸）材料的结晶度越高，其____性能越强，适合制作结构固定的硬质道具；结晶度越低则韧性越好，适合制作需要轻微形变的柔性道具。5.演出用冷焰火外壳常用的氧化铝陶瓷属于____键结合为主的材料，耐高温性优于金属和高分子材料，可承受1200℃以上的瞬时火焰温度不发生变形。6.舞鞋鞋底常用的硫化橡胶是通过____反应使线型橡胶分子形成三维交联网络，大幅提升其耐磨性、回弹性和抗撕裂性能，反复弯折10万次以上不会出现开裂。7.舞台道具焊接常用的锡铅共晶焊料的共晶点温度为____℃，远低于普通钢材的熔点，焊接过程不会造成薄壁道具的热变形。8.长期放置在户外的铁质舞台桁架会发生电化学腐蚀，腐蚀过程的本质是铁原子失去电子变成Fe²+的____反应（填反应类型：氧化/还原），可通过表面镀锌的方式形成牺牲阳极保护，延长桁架使用寿命。9.舞台LED屏背板常用的ABS塑料是丙烯腈、丁二烯、苯乙烯的三元共聚物，其中____组分提供刚性和耐腐蚀性，丁二烯组分提供韧性，苯乙烯组分提供加工流动性，综合性能优于单一聚合物。10.舞蹈头饰常用的水钻基材为铅玻璃，通过在玻璃中添加氧化铅提升材料的____（填光学性能参数：折射率/透光率/色散系数），使其比普通玻璃具备更强的闪烁效果，适配舞台灯光的折射需求。11.晶体结构中的点缺陷主要包括空位、间隙原子和____三类，点缺陷的存在会提升材料的电阻率，因此舞台音响线常用的高纯度铜材需要严格控制点缺陷浓度，降低信号传输损耗。12.高分子材料的应力松弛是指恒定形变下应力随时间逐渐降低的现象，舞服用松紧带使用1年后弹性下降本质上是____过程的宏观表现。13.金属的再结晶温度是指冷变形金属发生再结晶的最低温度，6061铝合金的再结晶温度约为350℃，因此对舞台铝合金构件进行热弯加工时，温度需控制在____℃以上降低加工变形抗力。14.间隙相是过渡族金属与碳、氮等小原子半径元素形成的金属化合物，舞台刀具常用的高速钢中含有的VC间隙相的硬度可达2800HV，可大幅提升材料的____性能，延长刀具使用寿命。15.固溶体按溶质原子的位置可分为间隙固溶体和置换固溶体两类，舞台铜质接插件中添加锌原子形成的黄铜属于____固溶体，强度高于纯铜且导电性仍满足信号传输要求。16.高分子材料的交联度越高，其溶剂溶解性越____（填：好/差），因此舞台防水幕布所用的交联聚乙烯材料在雨水浸泡下不会发生溶解变形。17.疲劳破坏是指材料在循环载荷作用下发生的低应力断裂，反复拆装的舞台接插件的失效80%以上属于疲劳破坏，设计时需要保证材料的____强度高于实际承受的循环应力峰值。18.陶瓷材料的断裂韧性远低于金属材料，本质原因是其内部不存在可滑移的____，受冲击时无法通过塑性变形耗散能量，因此陶瓷材质的舞台道具需要做好防撞防护。三、单项选择题（本大题共10小题，每小题2分，共20分）每小题只有一个正确答案，请将正确答案的序号填在答题纸对应位置。1.以下哪种材料最适合制作需要反复折叠、多次水洗的舞蹈水袖面料基底？A.普通纯棉面料B.结晶度60%的改性涤纶面料C.交联度80%的环氧树脂板材D.0.1mm厚高碳钢箔2.北方冬季户外露天演出的舞台地板需要考虑低温韧性，以下哪种高分子材料的低温脆性温度最低（约-70℃），适合零下10℃至0℃的低温环境使用？A.聚氯乙烯（PVC）B.高密度聚乙烯（HDPE）C.聚丙烯（PP）D.聚苯乙烯（PS）3.舞台追光灯具的散热壳体需要兼顾高导热性和低密度，以下哪种材料最符合要求？A.纯铝B.纯铜C.环氧树脂D.氧化铝陶瓷4.某款舞蹈道具需要在演出中实现120℃的瞬时恒温加热效果，现有四种高分子备选材料的玻璃化转变温度分别如下，哪种材料最适合制作该道具的外壳？A.Tg=50℃B.Tg=80℃C.Tg=100℃D.Tg=150℃5.舞鞋鞋底橡胶的交联度会直接影响其使用性能，以下哪种交联度的橡胶最适合制作芭蕾足尖鞋的鞋底？A.交联度10%B.交联度40%C.交联度80%D.交联度100%6.舞台桁架焊接后的焊缝区域强度高于母材的本质原因是？A.焊缝区域晶粒更粗大B.焊缝区域位错密度更低C.焊缝区域合金元素含量更高，产生固溶强化效果D.焊缝区域孔隙更多7.以下哪种表面处理方式最适合提升铁质舞台桁架的抗腐蚀能力，同时降低表面反光度避免影响舞台灯光效果？A.抛光镀铬B.静电喷塑（黑色哑光涂层）C.阳极氧化D.涂覆清漆8.3D打印舞台道具时，以下哪种工艺参数调整可以提升打印件的层间结合强度，降低搬运过程中的断裂风险？A.降低打印头温度B.提升打印速度C.提升打印层厚D.升高打印平台温度9.某款舞蹈头饰总重量需要控制在50g以内，同时需要具备一定的抗变形能力，以下哪种材料最适合作为头饰的基底框架？A.碳纤维增强环氧树脂复合材料（密度1.6g/cm³，抗拉强度1500MPa）B.6061铝合金（密度2.7g/cm³，抗拉强度310MPa）C.亚克力（密度1.2g/cm³，抗拉强度70MPa）D.普通松木（密度0.5g/cm³，抗拉强度40MPa）10.以下哪种晶体缺陷属于线缺陷？A.空位B.位错C.晶界D.间隙原子四、简答题（本大题共4小题，每小题6分，共24分）请结合材料科学基础知识点和舞台演出实际场景作答，要求逻辑清晰、要点明确。1.从晶体缺陷的角度分析，为什么舞台桁架用6061铝合金经过冷弯加工后强度会显著提升，而塑性会明显下降？2.某舞美团队需要制作一款长期在1200W追光下使用的固定造型头饰，现有酚醛树脂（热固性，Tg=180℃）、PET（热塑性，Tg=70℃）、纯铝（熔点660℃）三种备选材料，请结合材料的热性能、重量等指标分析选择最合适的材料并说明理由。3.舞蹈练功房的三层实木复合地板使用3年后出现局部凹陷变形，从高分子材料蠕变的角度分析该现象的产生原因，并提出2种可行的改进方案。4.3D打印制作的镂空舞蹈道具在演出搬运过程中经常发生沿打印层的断裂，从结晶度和打印工艺的角度分析断裂的可能原因，并提出对应的优化措施。五、综合应用题（本大题共1小题，12分）2025年北京舞蹈学院将制作建党104周年大型舞蹈史诗的核心手持道具“红绸框架”，性能要求如下：①整体框架长度6m，重量不超过8kg，单人可轻松举持舞动15分钟无明显手臂疲劳；②框架需要支撑总重量1.2kg的红绸，在舞动过程中最大挠度形变不超过5mm，不会发生断裂；③演出过程中会被1200W追光持续照射30分钟，表面最高温度可达75℃，不会发生软化变形；④道具需要反复拆装至少50次，连接部位不会发生磨损失效。请结合《材料科学基础（1）》所学知识，完成以下问题：（1）从金属材料、高分子材料、复合材料三类中选择最合适的材料类别作为框架基材，并说明排除另外两类的理由。（4分）（2）若选用碳纤维增强环氧树脂基复合材料作为基材，请从树脂交联度、纤维含量、界面结合状态三个角度分析如何调整材料参数满足上述性能要求。（4分）（3）针对连接部位的耐磨要求，提出2种可行的表面改性方案，并从材料微观结构角度说明改性原理。（4分）参考答案与评分标准一、名词解释（每小题3分，共24分）1.玻璃化转变温度：指无定形高分子材料从玻璃态向高弹态转变的临界温度（1.5分），是舞台高分子材料（如PVC地板、舞服面料、塑料道具）最高使用温度的核心参考指标，超过该温度材料会发生软化变形（1.5分）。2.固溶强化：指溶质原子溶入溶剂晶格形成固溶体时，溶质原子造成晶格畸变，提升位错滑移阻力，从而提高材料强度的现象（1.5分），是舞台铝合金桁架、黄铜接插件提升强度的核心机制（1.5分）。3.临界晶核半径：指结晶过程中能够自发长大的晶核的最小半径（1.5分），是3D打印道具、铸造成型构件控制晶粒尺寸的核心参数，临界晶核半径越小，结晶后晶粒越细，材料强度韧性越好（1.5分）。4.位错：指晶体中原子排列发生错动的线缺陷（1.5分），位错的滑移是金属材料塑性变形的核心机制，位错密度提升会产生加工硬化效果，是舞台金属构件冷加工强化的核心原理（1.5分）。5.共晶反应：指一定成分的液相在恒定温度下同时结晶出两种成分、结构不同的固相的反应（1.5分），舞台焊接用锡铅共晶焊料就是利用共晶反应实现低温焊接，避免道具热变形（1.5分）。6.蠕变：指材料在恒定应力作用下，应变随时间逐渐增加的现象（1.5分），是舞台实木地板凹陷、塑料道具长期放置变形的核心原因，户外舞台结构件设计需要重点考虑蠕变性能（1.5分）。7.间隙固溶体：指溶质原子填充在溶剂晶格的间隙位置形成的固溶体（1.5分），舞服用改性涤纶就是通过添加小尺寸原子形成间隙固溶体，提升面料的抗皱性和尺寸稳定性（1.5分）。8.疲劳强度：指材料承受无限次循环载荷而不发生断裂的最大应力（1.5分），是反复拆装的舞台接插件、频繁舞动的道具结构设计的核心参考指标，避免低应力疲劳断裂（1.5分）。二、填空题（每空1分，共20分）1.80-85（区间内数值均可）2.镁（Mg）、硅（Si）（顺序可互换）3.线型无定形高分子4.刚性（或抗变形、硬度均可）5.共价键+离子（或混合键均可）6.交联（或硫化均可）7.1838.氧化9.丙烯腈10.折射率11.置换原子12.应力松弛13.35014.耐磨（或硬度均可）15.置换16.差17.疲劳18.位错三、单项选择题（每小题2分，共20分）1.B2.B3.A4.D5.C6.C7.B8.D9.A10.B四、简答题（每小题6分，共24分）1.答题要点：①冷加工过程中，铝合金内部位错大量增殖，位错密度可提升4-6个数量级（2分）；②位错之间发生交割、缠结，形成位错胞结构，大幅提升位错滑移的阻力，宏观表现为强度提升（2分）；③可动位错数量下降，位错滑移所需应力大幅提升，材料难以发生塑性变形，因此塑性明显下降（2分）。2.答题要点：最合适的材料为酚醛树脂（1分）。理由：①酚醛树脂为热固性高分子，Tg=180℃远高于追光照射的最高温度，加热不会发生软化变形，尺寸稳定性好（2分）；②酚醛树脂密度仅为1.3g/cm³，远低于纯铝的2.7g/cm³，相同体积下重量仅为纯铝的一半，降低头饰重量避免舞者颈部疲劳（2分）；③PET为热塑性，Tg=70℃低于追光照射温度，会发生软化变形，纯铝重量过大，均不符合要求（1分）。3.答题要点：产生原因：实木地板的主要成分为纤维素、木质素等天然高分子材料，长期受到舞者站立、跳跃的恒定或循环应力作用，高分子链发生缓慢滑移，产生不可逆的塑性变形，宏观表现为凹陷（2分）。改进方案：①选用蠕变性能更好的高密度橡木作为地板面层，提升木材的结晶度和纤维取向，降低高分子链的滑移能力（2分）；②在地板基层添加铝合金支撑龙骨，分散载荷应力，降低木地板承受的单位压力，减缓蠕变过程（2分，其他合理方案如提升地板厚度、表面impregnate树脂改性均可得分）。4.答题要点：断裂原因：①PLA材料结晶度过低，材料刚性不足，受冲击时易发生塑性变形导致层间剥离（1分）；②打印过程中层间温度过低，熔融的PLA材料与上一层的结合不充分，层间存在孔隙和缺陷，受力时易沿缺陷位置断裂（1分）。优化措施：①提升打印头和打印平台温度，延长PLA材料的结晶时间，提升结晶度，增加材料刚性（2分）；②降低打印速度，提升层间粘合的时间，或对打印层进行红外预热，提升层间结合强度，减少孔隙缺陷（2分，其他合理方案如提升填充率、添加纤维增强均可得分）。五、综合应用题（12分）（1）答题要点：最合适的材料类别为复合材料（1分）。排除理由：①金属材料密度普遍在2.7g/cm³以上，6m长的铝合金框架重量约为12kg，超过8kg的重量要求，舞者举持舞