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(xué)穩(wěn)定性，在汽車零部件、電子電器及運動器材等領(lǐng)域廣泛應(yīng)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(lǐng)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(fù)合材料的綜合性能。本文系統(tǒng)探討碳纖維增強尼龍復(fù)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(yù)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(fù)合。為改善纖維與基體的界面結(jié)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(yīng)提供條件。

復(fù)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(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)，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(gòu)建"橋接"結(jié)構(gòu)。實驗表明，添加5wt% PP-g-MAH可使復(fù)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(xué)性能

拉伸試驗顯示，30wt%碳纖維增強尼龍復(fù)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(fù)合材料彎曲強度提升至310MPa，彎曲模量達10.2GPa，滿足汽車結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(fù)合材料在氮氣氛圍下5%質(zhì)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(zhuǎn)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(xué)性能

在干摩擦條件下（載荷50N，轉(zhuǎn)速200rpm），復(fù)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(dān)了大部分載荷，尼龍基體形成轉(zhuǎn)移膜附著于對磨面，減少直接接觸導(dǎo)致的粘著磨損。

結(jié)論與展望

本研究通過熔融共混-注塑成型工藝，結(jié)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(fù)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(shè)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(shù)，結(jié)合3D打印工藝開發(fā)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，進一步拓展碳纖維增強尼龍復(fù)合材料在航空航天與新能源領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。