杨孝云，王广宇
浙江省检验检疫科学技术研究院
摘要：根据实验探究分析可知，决定碳纤维增强工程塑料力学性能的直接因素是碳纤维的性能，以及其在机体素质中的分布情况等。因此，本文在了解碳纤维增强尼龙及复合材料应用及实验探究内容的基础上，根据实验设计与分析结果，深入探讨纺织结构碳纤维增强尼龙基复合材料所展现出的力学性能，以此为各行业制造创新提供有效依据。
关键词：纺织结构；碳纤维；尼龙；力学；CFF/PA6
0引言：由于碳纤维增强尼龙及复合材料具有取代金属的应用特征，且容易加工，质地轻薄，又具备一定的韧性，所以可以被广泛应用到各个领域。以汽车行业为例，包含P66在内的多项工程塑料在被碳纤维增强之后，逐渐取代了传统意义上汽车金属压铸构件，像燃料箱等。结合实践应用情况分析可知，因为这类材料具备极强的耐疲劳性，所以被运用到汽车内燃机同步驱动齿轮的制造，抑或是管接头等零件中，能有效提升其制造水平。因此，下面就这类材料所表现出的力学性能进行实验探究。
1.碳纤维增强尼龙基复合材料的介绍
了解当前碳纤维增强尼龙基复合材料应用情况可知，这类材料具有极强的力学性能，主要用于机械、汽车等行业制造中，且因为具有韧性高、可回收等优势，所以在现如今市场中得到了全社会的关注。以往针对这方面的研究很少，大都将目光集中在CF体积分数低于30%、长纤增强材料等方面，但随着实践探索力度的提升，NASA在ACT计划当中提出，可以将纺织结构碳纤维（CFF）看作增强体可制备主承力件复合材料。本文主要以CFF/PA6为例进行实验探索，因为这类材料的成型难度较大，且体积分数大于40%，PA6熔体粘度要超过热固体基体成型的粘度[1]。在这一条件下，PA6对CFF丝束内部所产生的浸润性不高，很容易产生孔隙问题。曾有科研学者利用PA6单体浸润CFF原位聚合法，但由于基体的聚合度很难得到有效控制，且材料的力学性能不强，所以并没有达到预期效果。同时，因为CFF织造可以为防毛丝提供了具有耐热性的环氧树脂类的浆料，在高温加工状态下极容易产生分解现象，所以由此将会出现界面强度不高、孔隙率过大等问题。假设利用溶剂洗涤，抑或是高温处理等方式清除酱料，那么将会在边缘出现散纱。上述方法对处理CFF来说都存在一定缺陷，所以本文在实验分析中选用了高温烧结或者是强酸活化法，与PA6基体溶液涂层法融合到一起，科学处理CFF的表层去浆、活化以及改性等工作。同时，为了确保PA6在粘度较低的情况下可以快速渗入到CFF丝束当中，便于CFF的浸润，可以利用叠层模压法对CFF/PA6进行制作备用，而后再对这类材料所表现出的力学性能进行深入探讨。
2.实验分析
2.1准备样品和设备
准备样品分为两方面：一方面为CFF，主要选用东丽公司聚丙烯腈基T300级碳纤维3k，且织造属于平纹结构CFF；另一方面为PA6薄膜，主要是由中山市华亿塑胶制造厂出品，MI=7.208g/10min，厚度属于0.3mm，甲酸为98%的分析纯。而所选设备主要包含了：第一，电脑平板硫化机；第二，热压磨具[2]。
2.2实验过程
一方面，要对CFF进行改性处理。通过将所选材料样品放入到饱和的尼龙/甲酸溶液当中，在浸泡二十四小时之后，要经过提取甲酸、清洗和烘干以后进行备用，并标记为C1-1。同时，还要选用另一份样品放在300°C的空气中烧结一小时，并在完成预处理后标记为Ｃ2样品。而将样品放在饱和的尼龙/甲酸溶液当中浸泡二十四小时，在完成提取甲酸、清洗以及烘干等工作后要进行备用，并标记为C2-1。另外，要将样品放在全是氮气的条件下，经过400°Ｃ的高温进行四小时处理，最终可以被标记为C3。最后，要将样品放在饱和的尼龙/甲酸溶液当中浸泡二十四小时，在完成提取甲酸、清洗以及烘干等工作后要进行备用，并标记为C3-1.
另一方面，要制备CFF/PA6的符合材料。要想让碳纤维表层尽可能和P6薄膜构成结合力，在实验处理期间需要利用完成后期清理的改性C F F和PA6薄膜交替叠放在热压模具中，而后要自下向上的利用PA6单层-C F F双层的叠加顺序循环五次，在最上层要加铺一层PA6。将得到的热压磨具放在温度为250°C的热压机当中，且闭模为其施加0.5MPa的压力，等到模具的温度上升到250°C且保持十分钟以后，需要在保压的同时利用树脂流动浸润CFF，而后释放基体内部存在的大气泡，而后在等待十分钟后继续利用树脂充分浸润CFF，并释放内部的小气泡[3]。最终得到的复合材料中PA6的质量数值为58.5%，而CFF的质量数值为41.5%。
3.结果分析
为了研究成型压力数值变化对CFF/PA6复合材料力学性能构成的影响，提升成型工艺，本文在实验探究中从1.0-4.0MPa之间选取了七组压力数值，并制备了相关的复合材料，从冲击、弯曲以及拉伸等强度入手进行了对比分析，具体结果如下图所示。
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由此可知，在压力数值较小的情况下，这类材料的的各项强度会随着成型压力的提升而增加，但在压力大于2.5到3.0MPa后，强度和韧性将会下降，而从样品的外表来看，很多CFF会受压力影响发生形变。因此结合实验判断，2.5到3.0MPa之间是制备CFF/PA6复合材料模压成型压力数值的最优区间，在这一条件下制备材料的拉伸强度为320.21MPa，弯曲强度是466.20MPa，而冲击强度可以达到67kJ/m2。除此之外，CFF和PA6薄膜交替叠加复合的条件下，模压成型压力数值将会对材料的韧性和强度构成极强影响，且在一定范围内提升成型压力有助于提升研究材料的力学性能，但若是压力过高也会出现丝束形变等问题，降低CFF的应用力学性能[4]。由此必须要保障这类复合材料的模具成型压力数值控制在2.5到3.0MPa之间。
结语
综上所述，碳纤维增强尼龙基复合材料作为当前制造业科研探索的主要方向，在未来应用与探索时，必须要整合以往实验探究案例和操作经验进行深入分析，并注重学习和借鉴国内外相关科研项目案例，只有这样才能从中更好掌握这类材料的力学性能，并从中发现更多有价值的应用研究。同时，还要加强专业人才的培养力度，确保科研机构和行业制造都能合理运用这一材料进行技术优化和创新。这样 不仅能正确应对市场革新带来的技术压力，而且可以有效解决碳纤维增强尼龙基复合材料的应用难题。
参考文献
[1] 陈邑, 黄珍媛, 刘颖,等. 碳纤维含量对增强尼龙复合材料性能的影响[J]. 玻璃钢/复合材料, 2019, No.308(09):65-69+79.
[2] 刘腾飞, 田小永, 薛莲. 连续碳纤维增强尼龙6复合材料3D打印装备与参数调控[J]. 机械工业标准化与质量, 2020, No.562(03):29-32+40.
[3] 张承启, 彭小红, 包海峰. 碳纤维-尼龙6混编织物复合材料的制备及性能[J]. 复合材料学报, 2019, 36(11):2487-2494.
[4] 曲日华, 王立岩, 张龙云,等. 玻璃纤维增强尼龙66复合材料的结构与性能[J]. 合成纤维工业, 2020, v.43;No.249(01):31-35.