碳纤维增强聚酰胺6复合材料：纤维类型与含量对力学性能的影响研究

碳纤维因其卓越的比强度、比模量、低密度以及优异的耐磨和耐腐蚀性能，已成为先进制造领域的革命性材料。聚酰胺6（PA6）作为重要的工程塑料，其性能和应用范围随技术进步不断拓展。将碳纤维与PA6复合，可结合两者优势制备出高强、轻质、耐腐蚀的新型材料，在汽车、航空航天、医疗器械等领域具有广阔应用前景，同时对环境保护和可持续发展具有重要意义。

本研究系统探讨了不同碳纤维类型（T300和T700）及含量对PA6复合材料力学性能的影响。实验采用T300和T700两种12K碳纤维（分有上浆剂和无上浆剂两种状态），通过双螺杆挤出机与PA6共混造粒，经注塑成型制备试样。碳纤维实际含量通过热重分析测定，范围从约10wt%至30wt%不等。

力学性能测试结果表明，碳纤维的加入显著提升了PA6的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量。纯PA6的拉伸强度约为70MPa，弯曲强度约100MPa，弯曲模量仅2.4GPa。当添加约30wt%的T300碳纤维时，复合材料拉伸强度达到166MPa，较纯PA6提高236.6%；弯曲强度达224MPa，提高229.6%；弯曲模量达14.6GPa，为纯PA6的6倍。对于缺口冲击强度，虽然碳纤维的加入较纯PA6有所降低，但随着纤维含量增加呈现上升趋势，最高可达7.18kJ/m²。

对比T300和T700两种纤维发现，T700增强复合材料的整体性能优于T300。这主要归因于T700具有更高的原丝强度和模量，且在加工过程中纤维长度保持更好。值得注意的是，上浆剂对两种纤维的影响存在差异：对于T300，上浆处理能改善纤维与基体的界面结合，使复合材料性能优于无分T300；而对于T700，由于其表面光滑且本身性能优异，上浆处理与未上浆处理样品的性能差异不明显。

微观形貌分析通过扫描电镜观察了冲击断口。纯PA6断口呈现较多褶皱，而复合材料断口随纤维含量增加变得粗糙，出现更多纤维拔出和裂纹偏转现象。纤维与PA6基体的界面浸渍效果良好，树脂能有效包裹纤维，这有利于载荷传递。随着纤维含量增加，纤维间接触和交互作用增强，部分纤维发生聚集和缠结。

纤维长度分布研究采用热重分析后的残炭进行显微观察，结果显示纤维长度近似呈高斯分布，主要分布在100-300μm范围，且存在超过500μm的超长纤维。有趣的是，虽然纤维含量增加导致纤维平均长度因螺杆剪切作用而减小，但力学性能仍持续提升，表明在此范围内纤维含量对性能的影响权重高于纤维长度。T700纤维在基体中的保留长度普遍长于T300，这也是其性能更优的原因之一。

热性能分析显示，碳纤维的加入对PA6的热分解温度影响不大，初始分解温度约为403°C，最大分解温度约470°C，但能提高残炭率至约28%。差示扫描量热分析表明，碳纤维作为异相成核剂增加了成核位点，提高了结晶温度（从181.4°C升至约185°C），加速了结晶速率；但同时阻碍了晶体生长，导致结晶度从纯PA6的44.83%下降至约30%。

综上所述，本研究证实碳纤维是PA6的高效增强体，在约30wt%含量时可获得最优的综合力学性能。T700碳纤维因更高的固有强度和更好的长度保持率而表现出更优的增强效果。适当的纤维长度分布、良好的界面结合以及纤维取向是获得高性能的关键因素。该研究为高性能碳纤维增强聚酰胺6复合材料的制备和应用提供了理论指导和实践参考。