材料科学综合

真空导入模塑工艺纤维预成型体厚度变化和流体压力变化研究进展

刘山，邢素丽，杨金水，等

摘要：真空导入模塑工艺（vacuum infusion molding process，VIMP）能够有效降低复合材料的工艺成本，是低成本制造技术发展的重要方向。纤维预成型体厚度控制问题是VIMP面临的主要挑战之一。VIMP工艺注胶过程中纤维预成型体的厚度变化行为分为以下几个阶段：（1）预压实阶段，抽真空，纤维预成型体在真空负压下被压实，厚度下降；（2）纤维嵌套阶段，在抽真空完成后，维持一段时间，纤维在嵌套作用下发生沉积，厚度下降；（3）润滑效应，树脂浸润纤维织物过程中，减小了纤维丝束间的摩擦系数，促使纤维进一步进行滑移嵌套，使预成型体厚度下降；（4）弹性回复阶段（卸载阶段），注胶时树脂流体的静压分担了一部分纤维预成型体受到的大气压力，使压实压力减小，纤维预成型体发生迅速的弹性回复，使厚度增大；（5）纤维松弛阶段，压实压力维持恒定时，在纤维松弛作用下，厚度随时间缓慢增加。VIMP工艺纤维预成型体厚度变化的本质在于预成型体具有压实回弹特性。很多研究团队通过研究纤维预成型体的压缩响应行为考察了纤维预成型体的压实回弹特性。文章介绍了VIMP工艺在一维线性流动和二维径向流动时厚度变化的理论模型，分析了流体压力特性方程的求解、流体压力场的分布和流体压力对厚度的影响，指出了Correia推导过程中存在的问题并进行了修正。文章还总结了厚度变化对VIMP工艺及复合材料制品的影响，并对VIMP工艺厚度变化的理论研究和工艺控制进行了展望。纤维预成型体厚度变化对VIMP工艺的影响主要有两个方面：引入厚度控制问题；影响渗透率、树脂液体充模时间、树脂消耗量等工艺参数。首先，厚度控制不精确不只影响复合材料构件的外观尺寸，还会对复合材料的内部结构和力学性能产生消极的影响，这是VIMP工艺与RTM工艺相比较为显著的缺陷之一。其次，厚度变化会改变纤维预成型体的孔隙结构，使孔隙率增加，孔隙率增加会使渗透率增大，而较高的渗透率有利于VIMP工艺注胶过程中树脂对织物的充分浸润。另外，在相似的工艺控制条件下，厚度变化引起的流体压力场非线性分布致使VIMP工艺的流动前锋位置处的压力梯度比 RTM工艺的要高，由Darcy定律知，此时VIMP工艺流动前锋的移动速度较快，因此，VIMP工艺的注胶充模时间比RTM工艺的注胶充模时间要短。VIMP工艺作为RTM工艺的衍生工艺具有操作简单、工艺成本低、易成型大尺寸厚构件的优点，随着复合材料的大力发展，VIMP工艺必然扮演更加重要的角色。而VIMP工艺面临的主要问题就是注胶过程中纤维预成型体的厚度变化。如何进行有效的厚度控制是 VIMP工艺面临的一个永恒问题，要精确控制VIMP工艺产品厚度还有很长的一段路要走。

来源出版物：材料导报, 2016, 30(19): 7-18

入选年份：2016

过氧根桥连双核稀土化合物的制备及其磁/光响应行为研究

严华，童明良，陈龑骢，等

摘要：目的：单分子磁体由于具有与经典磁体相同的磁行为，有望应用在高密度信息存储和量子计算等领域。磁相互作用是调控单分子磁体行为的重要参数，在磁动力学行为或弛豫机制方面的作用值得深入地研究。通过研究两例O22-桥连双核稀土化合物的分子结构和磁学性质，探究桥连基团对分子磁学行为的影响。方法：首先，采用席夫碱还原后的“二爪”配体 H2L分别与 Dy（ClO4）3·6H2O和YbCl3·6H2O反应得到两种晶体产物，通过X-射线单晶衍射仪测试晶体和SHELXTL程序包分析数据得出，它们的分子结构为过氧根桥连的双核稀土化合物。其次，利用磁学测量系统 MPMS-XL7测试目标化合物的静态和动态磁行为，研究双核稀土离子间的磁相互作用以及化合物的单分子磁体行为，并结合分子的结构信息分析构效关系。最后，在紫外光激发下收集两个化合物的发光信息，与自由配体比对分析配体对稀土离子的敏化效果以及化合物发光的跃迁机制。结果：两例稀土化合物的分子式分别为[Dy2（μ-O2）L2]·4MeOH·2H2O 和[Yb2（μ-O2）L2]·3MeOH·2H2O（简称Dy2和Yb2）。它们均结晶于三斜晶系，都含有两种晶体学独立的分子且分子的结构骨架非常相似。每种独立分子的不对称单元都包含一个稀土离子、一个脱质子配体和半个过氧根。稀土离子的配位数目均为 8，配位形式为N4O4。Shape软件计算结果表明中心稀土的配位几何为不规则多面体，没有特定的对称性。两个化合物在 1.8～300 K温度范围的变温直流磁化率数据分别表明Dy2的基态双线态以mJ＝±15/2为主，Yb2存在较强的反铁磁相互作用，可能来自于分子内的磁有序行为。外加1 k Oe直流场时，Dy2的温度依赖交流磁化率实部随频率变化不太明显，虚部随频率变化趋势较为明显且在低温区出现峰值，表明Dy2具有单分子磁体行为。以ln（X″M/X′M）对T-1作图估算出“能垒高度”约6.1 K，指前因子约2.4×10-6s，符合已报道单分子磁体的数值范围（10-6～10-11）。在344 nm紫外光激发下，Dy2荧光峰在436 nm，576 nm和670 nm，依次来自配体内电荷跃迁，DyIII的4F9/2→6H13/2和4F9/2→6H11/2跃迁；更高能的4F9/2→6H15/2跃迁被配体发光掩盖，在480 nm出现不太明显的肩峰。在390 nm紫外光激发下，Yb2荧光峰在437 nm和1006 nm，分别来源于配体的发光和YbIII的2F5/2→2F7/2跃迁。荧光谱图表明配体L2-能作为“天线”吸收并传递能量给稀土中心，敏化DyIII或YbIII发光。结论：由席夫碱还原得到的“二爪”配体 H2L与DyIII或 YbIII反应得到两例 O22-桥连的双核稀土化合物。交流磁化率和荧光光谱的数据分析表明，Dy2是一例具有配体和DyIII双发光中心的潜在单分子磁体——磁/光双功能分子材料；Yb2是一例同时具有配体可见光和YbIII近红外光的发光化合物，将成为一类可调谐发光分子材料。后续拟引入抗磁离子YIII，深入洞察O22-桥连化合物的磁相互作用变化以及这种作用在弛豫过程中所扮演的角色。

来源出版物：中国稀土学报, 2016, 34(6): 726-732

入选年份：2016