碳纤维和玻璃纤维增强尼龙的特点

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，热稳定性显著提高，

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。

增强纤维

碳纤维

玻璃纤维

30% 

特性

测试方法

15% 

30% 

40% 

无添加

相对密度

JIS K7112 

1.20 

1.26 

1.32 

1.40 

1.14 

拉伸强度

/MPa 

ASTM D638 

117 

182 

235 

170 

80 

(76) 

(116) 

(165) 

(100) 

(55) 

断裂伸长率

/% 

ASTM D638 

4 

(6

）

4 

(4) 

3. 5 

（

4

）

5 

(4.5) 

60 

(200) 

弯曲强度

/MPa 

ASTM D790 

210 

270 

330 

260 

130 

(101) 

(197) 

(264) 

(125) 

(65) 

弯曲弹性模量

/MPa 

ASTM D790 

9400 

16100 

22000 

8000 

3300 

(49) 

(106) 

(154) 

(40) 

(12) 

缺口冲击强度

/(kJ/m2) 

ASTM D256 

4(7) 

5. 5(8) 

4(7) 

7(9) 

4(14) 

洛氏硬度（

R

标准）

ASTM D785 

121(102) 

122(106) 

124(118) 

120(113) 

118(100) 

弯曲疲劳强度（

106

次

)/

旨

3 

ASTM D671 

43(30) 

58(43) 

―

37(20) 

吸水率（

23

℃，

24h

）

% 

ASTM D670 

0.8 

0.65 

0.65 

0.7 

1.5 

线胀系数

/(105/K

〉

ASTM D696 

1.3/10 

0.7/8 

0.6/6 

1.5/8 

10/10 

成型收缩率

(

流动方向）

/% 

ASTM D955 

0.15 

0.05 

0.03 

0.29 

1.80 

热变形温度（

1.82MPa

）

/

℃

ASTM D648 

248 

250 

250 

248 

66 

热导率［

W/(M*K)

］

ASTM C177 

0.41 

0.52 

0.7 

0.35 

0.23 

动摩擦因数

东丽法

0.07 

0.2 

0.36 

0.15 

0.23 

磨耗量

/[g/m2) 

•

h] 

东曲法

试料

4.0 

11.0 

14.0 

15.0 

7.0 

对磨材料（

S45C) 

0.2 

0.1 

0.2 

1.9 

0.2 

体积电阻率

/

Ω

•

cm 

ASTM D257 

100~1000 

10~100 

10~100 

1017 

1017 

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最大长度在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，以最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。 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Wikon-Fiberfil公司开发了含碳纤维40%的PA66复合材料，牌号为NylamM1501，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。