尼龙6改性碳纤维增强环氧复合材料的吸湿热老化对力学性能和降解机制的影响
Hygrothermal aging on the mechanical property and degradation mechanism of carbon fiber reinforced epoxy composites modified by nylon 6
摘要整理
将具有优异断裂韧性和吸湿热耐受性的尼龙6（PA6）作为填料添加到高强度/高模量碳纤维增强环氧树脂中，以期显著改善其热学和力学性能。本研究采用不同含量的短碳纤维和PA6填料增强环氧树脂，成功制备了PA6改性碳纤维-环氧树脂（PA6CFEP）复合材料。对材料在20/40/60 °C下吸湿热老化120 d前后的吸水行为、热学和力学性能演变、降解机制、微观结构和微观形貌进行了系统分析。结果表明，PA6CFEP在水溶液中的吸水规律符合修正Fick扩散模型，准平衡吸水量（M∞）为3.49%；60 °C时样品的最大吸水量（Mmax）和扩散系数（D）相比20 °C分别增加45.98%和6.39%。在最优PA6含量7.5 wt.%条件下，PA6CFEP-7.5的断裂韧性比对照样品提高198.6%，拉伸强度和断裂伸长率分别增加34.0%和77.3%。PA6的加入使PA6CFEP的玻璃化转变温度（Tg）最大提高4.9%，表明PA6与环氧树脂具有优异的热力学相容性。60 °C下吸湿热老化120 d后，PA6CFEP-7.5的拉伸强度、弯曲强度和Tg相比对照样品分别下降36.5%、38.3%和16.9%。这是因为水分子对树脂高分子链产生蚀刻作用，最终导致树脂水解和填料/树脂界面脱粘。PA6CFEP热学和力学性能降解的根本原因在于吸湿热老化过程中，水分子与高分子链和PA6填料形成新的氢键（最大增加62.9%），破坏了树脂原有的交联密度，水分子渗透到树脂基体的可用空隙中，导致树脂分子间作用力减弱。