尼龍（聚酰胺）作為工程塑料的代表，憑借其優(yōu)異的耐磨性、自潤滑性和化學穩(wěn)定性，在汽車零部件、電子電器及運動器材等領域廣泛應用。然而，傳統(tǒng)尼龍材料存在吸濕性強、尺寸穩(wěn)定性差及高溫易蠕變等缺陷，限制了其在高端制造領域的進一步拓展。碳纖維作為理想增強體，其高模量、低密度特性與尼龍基體形成互補，可顯著提升復合材料的綜合性能。本文系統(tǒng)探討碳纖維增強尼龍復合材料的制備工藝、界面優(yōu)化策略及性能表征，為開發(fā)輕量化、高承載能力的工程材料提供理論支持與實踐參考。

制備工藝與界面優(yōu)化

原料選擇與預處理

實驗選用短切碳纖維（長度6mm，直徑7μm）與尼龍66（PA66）作為基體，通過熔融共混法實現(xiàn)復合。為改善纖維與基體的界面結合，采用硅烷偶聯(lián)劑（KH550）對碳纖維進行表面改性：將纖維置于1wt%的KH550乙醇溶液中，60℃下超聲處理2小時，隨后120℃干燥4小時。改性后纖維表面粗糙度提升，活性基團（-NH?）密度增加，為后續(xù)界面反應提供條件。

復合材料成型工藝

采用雙螺桿擠出機進行熔融共混，工藝參數(shù)如下：擠出溫度260-280℃，螺桿轉速150rpm，纖維含量控制在10wt%、20wt%、30wt%三個梯度。擠出條帶經(jīng)水冷切粒后，通過注塑成型制備標準試樣（ISO 527-2拉伸試樣、ISO 178彎曲試樣）。注塑溫度275℃，保壓時間10s，模具溫度80℃，以確保纖維取向均勻分布。

界面增容策略

針對尼龍與碳纖維的極性差異，引入馬來酸酐接枝聚丙烯（PP-g-MAH）作為相容劑。PP-g-MAH的酸酐基團可與尼龍端氨基發(fā)生反應，同時其聚丙烯鏈段與碳纖維表面形成范德華力相互作用，構建"橋接"結構。實驗表明，添加5wt% PP-g-MAH可使復合材料界面剪切強度（IFSS）提升40%，纖維拔出長度縮短至原始長度的60%。

性能表征與分析

力學性能

拉伸試驗顯示，30wt%碳纖維增強尼龍復合材料的拉伸強度達225MPa，較純尼龍（85MPa）提升165%；彈性模量從2.8GPa增至12.4GPa，增幅343%。彎曲性能方面，復合材料彎曲強度提升至310MPa，彎曲模量達10.2GPa，滿足汽車結構件對剛度的要求。沖擊強度測試表明，碳纖維的引入使材料從脆性斷裂轉變?yōu)轫g性斷裂，缺口沖擊強度從6.5kJ/m²提升至28kJ/m²。

熱穩(wěn)定性與尺寸穩(wěn)定性

熱重分析（TGA）顯示，復合材料在氮氣氛圍下5%質量損失溫度從純尼龍的385℃提升至420℃，800℃殘?zhí)悸蔬_18%。動態(tài)熱機械分析（DMA）表明，玻璃化轉變溫度（Tg）從純尼龍的65℃升至92℃，儲能模量在高溫區(qū)（150℃）保持率從35%提升至78%，顯著改善尼龍的高溫蠕變性能。線性熱膨脹系數(shù)（CLTE）測試顯示，沿纖維取向方向CLTE低至2.3×10??/℃，較純尼龍（8.5×10??/℃）降低73%，尺寸穩(wěn)定性大幅提升。

摩擦學性能

在干摩擦條件下（載荷50N，轉速200rpm），復合材料摩擦系數(shù)從純尼龍的0.38降至0.21，磨損率從1.2×10??mm³/(N·m)降至3.5×10??mm³/(N·m)。磨損表面形貌觀察發(fā)現(xiàn)，碳纖維承擔了大部分載荷，尼龍基體形成轉移膜附著于對磨面，減少直接接觸導致的粘著磨損。

結論與展望

本研究通過熔融共混-注塑成型工藝，結合表面改性與相容劑增容策略，成功制備出碳纖維增強尼龍復合材料。性能表征證明，30wt%纖維含量下，材料兼具高強度（225MPa）、高模量（12.4GPa）與低熱膨脹系數(shù)（2.3×10??/℃），摩擦性能顯著優(yōu)于純尼龍。該材料可替代金屬部件用于汽車發(fā)動機罩蓋、電子設備外殼等場景，實現(xiàn)減重40%以上。未來研究可聚焦于長碳纖維連續(xù)成型技術，結合3D打印工藝開發(fā)復雜結構件，進一步拓展碳纖維增強尼龍復合材料在航空航天與新能源領域的應用潛力。