尼龙（聚酰胺）作为工程塑料的代表，凭借其优异的耐磨性、自润滑性和化学稳定性，在汽车零部件、电子电器及运动器材等领域广泛应用。然而，传统尼龙材料存在吸湿性强、尺寸稳定性差及高温易蠕变等缺陷，限制了其在高端制造领域的进一步拓展。碳纤维作为理想增强体，其高模量、低密度特性与尼龙基体形成互补，可显著提升复合材料的综合性能。本文系统探讨碳纤维增强尼龙复合材料的制备工艺、界面优化策略及性能表征，为开发轻量化、高承载能力的工程材料提供理论支持与实践参考。
制备工艺与界面优化
原料选择与预处理
实验选用短切碳纤维（长度6mm，直径7μm）与尼龙66（PA66）作为基体，通过熔融共混法实现复合。为改善纤维与基体的界面结合，采用硅烷偶联剂（KH550）对碳纤维进行表面改性：将纤维置于1wt%的KH550乙醇溶液中，60℃下超声处理2小时，随后120℃干燥4小时。改性后纤维表面粗糙度提升，活性基团（-NH₂）密度增加，为后续界面反应提供条件。
复合材料成型工艺
采用双螺杆挤出机进行熔融共混，工艺参数如下：挤出温度260-280℃，螺杆转速150rpm，纤维含量控制在10wt%、20wt%、30wt%三个梯度。挤出条带经水冷切粒后，通过注塑成型制备标准试样（ISO 527-2拉伸试样、ISO 178弯曲试样）。注塑温度275℃，保压时间10s，模具温度80℃，以确保纤维取向均匀分布。
界面增容策略
针对尼龙与碳纤维的极性差异，引入马来酸酐接枝聚丙烯（PP-g-MAH）作为相容剂。PP-g-MAH的酸酐基团可与尼龙端氨基发生反应，同时其聚丙烯链段与碳纤维表面形成范德华力相互作用，构建"桥接"结构。实验表明，添加5wt% PP-g-MAH可使复合材料界面剪切强度（IFSS）提升40%，纤维拔出长度缩短至原始长度的60%。
性能表征与分析
力学性能
拉伸试验显示，30wt%碳纤维增强尼龙复合材料的拉伸强度达225MPa，较纯尼龙（85MPa）提升165%；弹性模量从2.8GPa增至12.4GPa，增幅343%。弯曲性能方面，复合材料弯曲强度提升至310MPa，弯曲模量达10.2GPa，满足汽车结构件对刚度的要求。冲击强度测试表明，碳纤维的引入使材料从脆性断裂转变为韧性断裂，缺口冲击强度从6.5kJ/m²提升至28kJ/m²。
热稳定性与尺寸稳定性
热重分析（TGA）显示，复合材料在氮气氛围下5%质量损失温度从纯尼龙的385℃提升至420℃，800℃残碳率达18%。动态热机械分析（DMA）表明，玻璃化转变温度（Tg）从纯尼龙的65℃升至92℃，储能模量在高温区（150℃）保持率从35%提升至78%，显著改善尼龙的高温蠕变性能。线性热膨胀系数（CLTE）测试显示，沿纤维取向方向CLTE低至2.3×10⁻⁵/℃，较纯尼龙（8.5×10⁻⁵/℃）降低73%，尺寸稳定性大幅提升。
摩擦学性能
在干摩擦条件下（载荷50N，转速200rpm），复合材料摩擦系数从纯尼龙的0.38降至0.21，磨损率从1.2×10⁻⁴mm³/(N·m)降至3.5×10⁻⁵mm³/(N·m)。磨损表面形貌观察发现，碳纤维承担了大部分载荷，尼龙基体形成转移膜附着于对磨面，减少直接接触导致的粘着磨损。
结论与展望
本研究通过熔融共混-注塑成型工艺，结合表面改性与相容剂增容策略，成功制备出碳纤维增强尼龙复合材料。性能表征证明，30wt%纤维含量下，材料兼具高强度（225MPa）、高模量（12.4GPa）与低热膨胀系数（2.3×10⁻⁵/℃），摩擦性能显著优于纯尼龙。该材料可替代金属部件用于汽车发动机罩盖、电子设备外壳等场景，实现减重40%以上。未来研究可聚焦于长碳纤维连续成型技术，结合3D打印工艺开发复杂结构件，进一步拓展碳纤维增强尼龙复合材料在航空航天与新能源领域的应用潜力。
