碳纤增强尼龙的特点及使用范围介绍
栏目：行业动态 发布时间：2021-06-01 15:53
用碳纤维增强尼龙材料近年来发展很快，因为尼龙和碳纤维都是工程塑料领域性能优异的材料，其复台材料综台体现了二者的优越性，如强度与刚性比未增强的尼龙高很多，高温蠕变小...
用碳纤维增强尼龙材料近年来发展很快，因为尼龙和碳纤维都是工程塑料领域性能优异的材料，其复台材料综台体现了二者的优越性，如强度与刚性比未增强的尼龙高很多，高温蠕变小，热稳定性显著提高了，尺寸精度好，耐磨。阻尼性优良，与玻纤增强相比有更好的性能。
因而碳纤维增强尼龙(CF／PA)复合材料近年来发展很快。目前国内外CF／PA复合材料主要是以短切或长碳纤维增强PA6、PA66等基体。
1、CCF／MCPA复合材料的摩擦系数和磨损量随着载荷的增加而降低。
2、CCF／MCPA复合材料的弯曲强度、弯曲弹性模量、冲击强度和平面剪切强度随碳纤维含量的增加而提高。
3、CCF／MCPA复合材料其磨损机制主要是磨粒磨损和粘着磨损。
短碳纤维复合材料加工性好，长碳纤维复合材料则具有较好的力学性能。而三维编织复合材料具有整体性和力学结构合理两大特点。三维编织复合材料作为一种结构与功能完美结合的先进纺织复合材料越来越受到人们的重视。
由于其异型件一次编织成型，纤维贯穿材料的三个方向形成三维整体网状结构，所以从根本上解决了传统复合材料沿厚度方向的刚度和强度性能较差，面内剪切和层间剪切强度低，易分层且冲击韧性和损伤容限低等缺点。
碳纤维具有质轻、拉伸强度高、耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变、导电、传热等特点，与玻璃纤维相比，模量高3~5倍，因而是一种获得高刚性和高强度尼龙材料的优良增强材料。碳纤维复合材料可分为长（连续）纤维增强和短纤维增强两大类。纤维长度可从300~400m 到几个毫米不等。过去10年中，人们在改进不同种类的碳纤维复合材料加工方法和性能方面投入了大量的研究。从预浸树脂到模塑法加工，从短纤维掺混塑料注射加工到层压成型，在碳纤维复合材料及制品制作方面积累了很多成功的经验。目前普遍认为，长（连续）纤维有高强、高韧方面的优越性，短切纤维有加工性好的特点。因此，长碳纤维复合材料在加工上完善成型工艺、短碳纤维复合材料进一步提高力学性能是碳纤维复合材料发展的方向。
根据碳纤维长度、表面处理方式及用量的不同，还可以制备综合性能优异、导电性能各异的导电材料，如抗静电材料、电磁屏蔽材料、面状发热体材料、电极材料等。碳纤维增强尼龙材料近年来发展很快，因为尼龙和碳纤维都是各自领域性能优异的材料，其复合材料综合体现了二者的优越性，强度与刚性比未增强的尼龙高很多，高温蠕变小，热稳定性显着提高，尺寸精度好，耐磨，阻尼性优良，与玻纤增强尼龙相比有更好的综合性能，如表所示。
注：（）内为吸水时的值，无增强纤维时的含水率为2.5,含增强纤维15%、30%、40%时含水率分别为1.9%、
1.6%、 1.5%;线胀系数用流动方向/垂直方向表示。
复合材料的力学性能主要与基础树脂、增强纤维性质、纤维与树脂界面的结合程度、成型挤出工艺、增强纤维的长度及分布状态有关。要想得到高强度的碳纤维增强PA66，应尽量使碳纤维保持较大的长径比，在螺杆组合得当的情况下，保证碳纤维一定的长度是有可能的，一般长度分布在0.2~.30mm较大长度在0.5mm。
碳纤维增强尼龙与玻璃纤维增强尼龙有很大差异。碳纤维不耐剪切，在螺杆组合设计上要保证剪切力适当，使纤维长度在要求的尺寸范围内。在熔融区要保证尼龙充分熔融，在捏合区要适当减少捏合元件，以保证碳纤维有一定的长度，才能产生较好的增强效果。在双螺杆挤出中，在保证碳纤维在尼龙基体中分散良好的前提下，应尽可能保证碳纤维有较大的长径比，以较大限度地发挥碳纤维的增强作用。
碳纤维是综合性能很全面的材料之一，其价格也较为昂贵。使用碳纤维增强尼龙，在提高尼龙的多项性能的同时，也使得制成品的成本及加工难度相应提高。因此在满足使用条件及设计余量的情况下，碳纤维有一经济加入量。通过实验，发现碳纤维加入量与制成的复合材料力学性能之间存在着图所示的半定量关系。
碳纤维增强PA66和纯PA66的剪切应力随剪切速率的提高而增大，在应力相同的情况下，碳纤维增强PA66的剪切速率大于纯PA66的剪切速率。由于在碳纤维增强PA66中， 碳纤维相当于固体粒子，在一定的剪切应力下有流动滞后作用，从而表现出剪切速率比纯PA66的要大。纯PA66的表观黏度随剪切速率增加而减小，表现为假塑性特征。碳纤维与PA66分子间容易产生界面滑移，因而熔体黏度比纯PA66低。但是，随着剪切速率的增大， 一方面，固体粒子的流动滞后作用变得明显，另一方面，碳纤维的粒子尺寸受应力作用而变小，粒子数增加，从而使得表观黏度增加，这对加工不利。所以在制备碳纤维增强尼龙时要注意这一点。
目前短碳纤维增强尼龙复合材料在汽车工业、体育用品、纺织机械、航空航天材料等领域已得到应用 ，但有关C3D／PA复合材料应用方面的报道并不多。随着制备工艺的完善，性能的提高，相信在不远的将来C3D／PA复合材料一定会得到广泛的应用。
碳纤维/尼龙复合材料具备了代替金属的优异性能，且质轻高韧，易于加工，其应用范围几乎涉及国民经济的各个领域。
1、汽车工业
碳纤维增强尼龙复合材料广泛应用于汽车工业，这主要是因为上述材料的耐油性、耐磨性和抗蠕变性极佳，代替传统的金属材料时具有重量轻的优势。包括PA66 在内的多种工程塑料被碳纤维增强后正逐渐取代早先汽车用金属压铸构件，如燃料箱等。在美国、西欧和日本，尼龙几乎用于汽车的所有部位，如发动机部位、电气部位和车体部位。碳纤维增强尼龙复合材料具有较强的耐疲劳能力，这种特性使其应用于汽车内燃机同步驱动齿轮的制造。德国重型柴油机就使用了这种材料制造齿轮、管接头等零件。
2、国防工业
美国印第安纳公司开发了含碳纤维40%的PA66复合材料，其性能超过目前使用的其它高强度材料。这种材料可代替金属，主要用于国防与宇航领域。美国MX导弹使用40%碳纤维增强PA66代替铝合金制造导弹发动机部件。英国亨廷公司开发的火箭筒的筒体大部分为碳纤维增强尼龙制造，两节型的发射筒用长纤维卷绕法制造，箭弹弹尾也由上述材料制成。
3、航空航天
美国比奇飞机公司研制的双发小型公务机，其主机翼、鸭翼、稳定翼、短舱等70%的部分使用了碳纤维增强/环氧/尼龙材料，新材料比传统的铝材轻19%，这对提高速度、节省燃料极其有利。美国LNP公司使用碳纤维增强PA612制造波音757飞机发动机上的一些部件。他们用碳纤维加入量40%的PA612注射成型尺寸为20.32cm× 30.48cm、厚度为0.0381cm的发动机气窗部件，有效使用期达20年以上，具有良好的经济性和长效性。目前，波音公司正在用其制造民用飞机的机舱。
4、文体用品
日本Osaka公司计划使用反应式注射方式生产尼龙/长碳纤维复合材料以满足生产文体用品的要求。具体做法是：先使尼龙单体与预先放置的连续纤维进行混合，注射成型时再引发聚合使其成型。此方式适用于制造薄壁型产品。该公司计划使用其制造网球拍和高尔夫球棒，也可用其制造头盔、汽车防撞杠和机器人手臂等。
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因而碳纤维增强尼龙(CF／PA)复合材料近年来发展很快。目前国内外CF／PA复合材料主要是以短切或长碳纤维增强PA6、PA66等基体。
1、CCF／MCPA复合材料的摩擦系数和磨损量随着载荷的增加而降低。
2、CCF／MCPA复合材料的弯曲强度、弯曲弹性模量、冲击强度和平面剪切强度随碳纤维含量的增加而提高。
3、CCF／MCPA复合材料其磨损机制主要是磨粒磨损和粘着磨损。
短碳纤维复合材料加工性好，长碳纤维复合材料则具有较好的力学性能。而三维编织复合材料具有整体性和力学结构合理两大特点。三维编织复合材料作为一种结构与功能完美结合的先进纺织复合材料越来越受到人们的重视。
由于其异型件一次编织成型，纤维贯穿材料的三个方向形成三维整体网状结构，所以从根本上解决了传统复合材料沿厚度方向的刚度和强度性能较差，面内剪切和层间剪切强度低，易分层且冲击韧性和损伤容限低等缺点。
碳纤维具有质轻、拉伸强度高、耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变、导电、传热等特点，与玻璃纤维相比，模量高3~5倍，因而是一种获得高刚性和高强度尼龙材料的优良增强材料。碳纤维复合材料可分为长（连续）纤维增强和短纤维增强两大类。纤维长度可从300~400m 到几个毫米不等。过去10年中，人们在改进不同种类的碳纤维复合材料加工方法和性能方面投入了大量的研究。从预浸树脂到模塑法加工，从短纤维掺混塑料注射加工到层压成型，在碳纤维复合材料及制品制作方面积累了很多成功的经验。目前普遍认为，长（连续）纤维有高强、高韧方面的优越性，短切纤维有加工性好的特点。因此，长碳纤维复合材料在加工上完善成型工艺、短碳纤维复合材料进一步提高力学性能是碳纤维复合材料发展的方向。
根据碳纤维长度、表面处理方式及用量的不同，还可以制备综合性能优异、导电性能各异的导电材料，如抗静电材料、电磁屏蔽材料、面状发热体材料、电极材料等。碳纤维增强尼龙材料近年来发展很快，因为尼龙和碳纤维都是各自领域性能优异的材料，其复合材料综合体现了二者的优越性，强度与刚性比未增强的尼龙高很多，高温蠕变小，热稳定性显着提高，尺寸精度好，耐磨，阻尼性优良，与玻纤增强尼龙相比有更好的综合性能，如表所示。
注：（）内为吸水时的值，无增强纤维时的含水率为2.5,含增强纤维15%、30%、40%时含水率分别为1.9%、
1.6%、 1.5%;线胀系数用流动方向/垂直方向表示。
复合材料的力学性能主要与基础树脂、增强纤维性质、纤维与树脂界面的结合程度、成型挤出工艺、增强纤维的长度及分布状态有关。要想得到高强度的碳纤维增强PA66，应尽量使碳纤维保持较大的长径比，在螺杆组合得当的情况下，保证碳纤维一定的长度是有可能的，一般长度分布在0.2~.30mm较大长度在0.5mm。
碳纤维增强尼龙与玻璃纤维增强尼龙有很大差异。碳纤维不耐剪切，在螺杆组合设计上要保证剪切力适当，使纤维长度在要求的尺寸范围内。在熔融区要保证尼龙充分熔融，在捏合区要适当减少捏合元件，以保证碳纤维有一定的长度，才能产生较好的增强效果。在双螺杆挤出中，在保证碳纤维在尼龙基体中分散良好的前提下，应尽可能保证碳纤维有较大的长径比，以较大限度地发挥碳纤维的增强作用。
碳纤维是综合性能很全面的材料之一，其价格也较为昂贵。使用碳纤维增强尼龙，在提高尼龙的多项性能的同时，也使得制成品的成本及加工难度相应提高。因此在满足使用条件及设计余量的情况下，碳纤维有一经济加入量。通过实验，发现碳纤维加入量与制成的复合材料力学性能之间存在着图所示的半定量关系。
碳纤维增强PA66和纯PA66的剪切应力随剪切速率的提高而增大，在应力相同的情况下，碳纤维增强PA66的剪切速率大于纯PA66的剪切速率。由于在碳纤维增强PA66中， 碳纤维相当于固体粒子，在一定的剪切应力下有流动滞后作用，从而表现出剪切速率比纯PA66的要大。纯PA66的表观黏度随剪切速率增加而减小，表现为假塑性特征。碳纤维与PA66分子间容易产生界面滑移，因而熔体黏度比纯PA66低。但是，随着剪切速率的增大， 一方面，固体粒子的流动滞后作用变得明显，另一方面，碳纤维的粒子尺寸受应力作用而变小，粒子数增加，从而使得表观黏度增加，这对加工不利。所以在制备碳纤维增强尼龙时要注意这一点。
目前短碳纤维增强尼龙复合材料在汽车工业、体育用品、纺织机械、航空航天材料等领域已得到应用 ，但有关C3D／PA复合材料应用方面的报道并不多。随着制备工艺的完善，性能的提高，相信在不远的将来C3D／PA复合材料一定会得到广泛的应用。
碳纤维/尼龙复合材料具备了代替金属的优异性能，且质轻高韧，易于加工，其应用范围几乎涉及国民经济的各个领域。
1、汽车工业
碳纤维增强尼龙复合材料广泛应用于汽车工业，这主要是因为上述材料的耐油性、耐磨性和抗蠕变性极佳，代替传统的金属材料时具有重量轻的优势。包括PA66 在内的多种工程塑料被碳纤维增强后正逐渐取代早先汽车用金属压铸构件，如燃料箱等。在美国、西欧和日本，尼龙几乎用于汽车的所有部位，如发动机部位、电气部位和车体部位。碳纤维增强尼龙复合材料具有较强的耐疲劳能力，这种特性使其应用于汽车内燃机同步驱动齿轮的制造。德国重型柴油机就使用了这种材料制造齿轮、管接头等零件。
2、国防工业
美国印第安纳公司开发了含碳纤维40%的PA66复合材料，其性能超过目前使用的其它高强度材料。这种材料可代替金属，主要用于国防与宇航领域。美国MX导弹使用40%碳纤维增强PA66代替铝合金制造导弹发动机部件。英国亨廷公司开发的火箭筒的筒体大部分为碳纤维增强尼龙制造，两节型的发射筒用长纤维卷绕法制造，箭弹弹尾也由上述材料制成。
3、航空航天
美国比奇飞机公司研制的双发小型公务机，其主机翼、鸭翼、稳定翼、短舱等70%的部分使用了碳纤维增强/环氧/尼龙材料，新材料比传统的铝材轻19%，这对提高速度、节省燃料极其有利。美国LNP公司使用碳纤维增强PA612制造波音757飞机发动机上的一些部件。他们用碳纤维加入量40%的PA612注射成型尺寸为20.32cm× 30.48cm、厚度为0.0381cm的发动机气窗部件，有效使用期达20年以上，具有良好的经济性和长效性。目前，波音公司正在用其制造民用飞机的机舱。
4、文体用品
日本Osaka公司计划使用反应式注射方式生产尼龙/长碳纤维复合材料以满足生产文体用品的要求。具体做法是：先使尼龙单体与预先放置的连续纤维进行混合，注射成型时再引发聚合使其成型。此方式适用于制造薄壁型产品。该公司计划使用其制造网球拍和高尔夫球棒，也可用其制造头盔、汽车防撞杠和机器人手臂等。
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