一文读懂碳纤维增强尼龙66复合材料

尼龙是聚酰胺（PA）的俗称，是分子主链上含有重复酰胺基团的热塑性树脂的总称，包括脂肪族聚酰胺、脂肪-芳香族聚酰胺和芳香族聚酰胺。

作为五大工程塑料之首，尼龙在工业上有着极其广泛的应用，主要应用于汽车部件、机械部件、电子电器、化妆品、胶粘剂以及包装材料等领域。其中产量最大，应用最广的是脂肪族聚酰胺，主要为尼龙66和尼龙6。

尼龙66（PA66）是由己二酸和己二胺缩聚而成，是聚酰胺的一类，分子式如图

  优点：高强、耐腐蚀、耐磨性好的特点，而且具有自润滑性，阻燃性，无毒环保等优异性能。

 缺点：耐热性和耐酸性较差，在干态和低温下抗冲击强度低，吸水率大影响制品尺寸稳定性和电性能。

高性能纤维是指具有高承载力、高耐久性的化学纤维，因为它们具有特殊的物理结构或化学结构体现出与具有传统纤维不具备的一些优良特性，如耐高温性，耐腐蚀性，阻燃性等其他性质。

碳纤维是由有机纤维经过碳化及石墨化而得到的含碳量高于90%的无机高分子材料。

碳纤维的微观结构类似人造石墨（C原子层状排列），是乱层石墨结构。

优点：质量轻、高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、导电、导热等。

缺点：成本高、比较难浸润、透明性差，缺陷难检查等。

碳纤维根据原丝来源主要分为：

聚丙烯腈基碳纤维

沥青基碳纤维

黏胶基碳纤维

碳纤维复合材料是十分有用的结构材料，它不仅质轻、耐高温,而且有很高的拉伸强度和弹性模量,是制造宇宙飞船、火箭、导弹、高速飞机以及大型客机等不可缺少的组成材料。在交通运输、化工、冶金、建筑等工业部门以及体育器材等方面也都有广泛的应用。

原料：

尼龙66、碳纤维、硅烷偶联剂、增溶剂、其他助剂

设备及仪器：

双螺杆挤出机、塑料注射成型机、电热鼓风干燥箱

工艺流程：

螺杆挤出机一、二、三、四、五区温度分别设定为250-252℃、265-267℃、270-272℃、270-273℃、275-280℃，螺杆转速为200-400r/min.，在合适的喂纤口分别加入包含1束（1束有12000根碳纤维）、2束和4束碳纤，切粒制成实验样品，对应的样品分别记为PA66/CF-1#、PA66/CF-2#、PA66/CF-3#。

随着CF的含量的增加，PA66/CF复合材料的密度呈小幅度增大趋势。这是因为，与PA66的密度相比，CF的密度较大。

从表中的数据可以看出，PA66/CF复合材料的密度均低于1.3，不到钢密度(7.85)的六分之一，达到了轻量化的目的，有利于节能降耗，使CF-PA66复合材料具有更为广阔的应用空间。

碳纤维均匀地分布在PA66基体中，并且PA66晶体中呈现出球晶典型的十字消光图像，而PA66/CF样品则没有呈现球晶形貌，这是因为CF的存在影响了PA66的结晶。

在PA66/CF复合材料中，PA66基体与碳纤维界面结合充分，尼龙66较好地包裹在碳纤维的周围，由于自制的增容剂是反应型增溶剂，增溶剂中的马来酸酐与尼龙基体中的胺基发生反应，所以，尼龙66基体与碳纤维能够更充分的结合在一起。从图中还可以看出，PA66断面较为平滑，而PA66/CF样品断裂表面极其粗糙，CF被拔出，表明复合材料样品在受到外力作用时，体系中的CF起到良好的承担载荷作用，该种断裂为韧性断裂，因此，PA66/CF复合材料为韧性材料。

随着CF含量的增加，PA66/CF复合材料的拉伸强度明显提高。当加入4束CF时，该PA66/CF复合材料拉伸强度达到200.2MPa，是纯PA66的拉伸强度的2.3倍。这是因为，CF 本身的拉伸强度为4900MPa，当PA66/CF复合材料受到张应力时，体系中的CF主要起到承载外力的作用。

随着CF含量的增加，PA66/CF复合材料的弯曲强度和弯曲模量均大幅度提高。当加入4束CF时，PA66/CF复合材料的弯曲强度为280.2MPa，弯曲模量达到最大值13560.8MPa，而PA66的弯曲强度和弯曲模量只有89.9MPa和2932.1MPa，表明碳纤对复合材料弯曲强度与弯曲模量的影响显著。

   1、PA66/CF复合材料的密度小于1.3，与钢的密度(7.85)相比，不到其密度的六分之一，达到了轻量化的目的，有利于节能降耗。

   2、PA66/CF复合材料体系中，CF的长度约为0.5～0.7mm，PA66基体与碳纤维界面结合充分，尼龙66较好地包裹在碳纤维的周围，PA66/CF样品断裂表面较为粗糙，PA66/CF复合材料为韧性材料。

   3、与PA66相比，PA66/CF复合材料力学性能均有大幅度提高。当加入4束CF时，PA66/CF 拉伸强度达到200.2MPa，比尼龙66原样约提高了130%，断裂伸长率3.3%;弯曲强度达到280.2MPa，比PA66约提高了211%，弯曲模量达到了13560.8MPa，比PA66约提高了362%。

参考文献

[1]曲日华.高性能纤维增强尼龙66复合材料的制备及应用研究[D].沈阳:沈阳工业大学,2020.

[2]王立岩,曲日华,张龙云,赵旭刚,陈延明,彭 威.碳纤维增强尼龙66复材料的制备及性能[J].塑料,2020,49(1).

[3]潘任行.碳纤维表面修饰及增强尼龙66复合材料的研究[D].上海:东华大学，2014.

[4]张艳霞.碳纤维增强尼龙复合材料的研究[D].上海:东华大学,2010.