尼龙是通用塑料中开发最早、用量最大的材料[1]，广泛运用于电子电器、汽车零部件、建筑材料、日常用品等领域[2-4]。尼龙具有化学性质稳定，拉伸、弯曲、压缩强度优异等优点[5-7]，但存在酰胺键的极性较大，耐候性较差、低温冲击强度低等缺点[8-10]。为了进一步提高尼龙的综合性能，使其应用领域更广泛，人们通常对其进行增强处理。目前，常用的增强方法是在尼龙中添加玻璃纤维和碳纤维[11-13]。为了提高纤维与尼龙基体的界面结合强度以充分发挥纤维的增强作用，科研工作者们进行多种尝试，如纤维表面上浆，纤维接枝聚合物[14-17]。此外，在纤维增强尼龙复合材料中添加第三组分，可以得到各项性能较为优异的纤维增强尼龙复合材料。本文研究玻纤和碳纤以及第三组分如增韧剂、填料对纤维增强尼龙复合材料韧性的影响，以及玻纤/碳纤混杂增强尼龙复合材料的性能，总结纤维增强尼龙复合材料的性能以及当前存在的问题，并对其发展前景进行展望。1玻纤增强尼龙复合材料1.1玻纤/尼龙复合材料韧性尼龙中添加玻纤是增强尼龙的有效方式，当玻纤与尼龙的界面结合力较弱时，玻纤虽然能够起到一定的增强作用，但可能会降低材料的冲击性能。所以使用玻纤前，需要先对其进行上浆处理。常用的上浆剂有环氧类、聚氨酯类以及硅烷偶联剂类等[18-20]。纤维经过上浆后其表面接入大量活性官能团，在共混加工过程中与尼龙分子链发生反应，提高纤维的浸润效果，使纤维与基体的界面结合强度明显增加，有利于提高复合材料的力学性能[21-22]。陈俊等[23]研究玻纤和滑石粉对尼龙6力学性能的影响。研究表明：滑石粉与玻纤在基体中互相交织，形成多种尺度和维度的相互作用。少量滑石粉促进玻纤在尼龙基体中分散更均匀，起较好的协同增强作用；滑石粉添加量继续提高时，容易在基体中分散不均而造成团聚，使其与基体的界面相互作用效果减弱，从而使复合材料的冲击强度下降。Yoo等[24]探究蒙脱土对玻纤增强尼龙复合材料的影响。研究表明：蒙脱土的加入可以起到一定的增强效果，质量分数7%的蒙脱土可使质量分数20%玻纤增强尼龙复合材料的拉伸强度从110 MPa提高至135 MPa。但是大量蒙脱土会使材料的韧性变差，复合材料冲击强度下降。李方舟等[25]探究使用和未使用烷偶联剂的玻纤增强尼龙46复合材料的力学性能。未使用硅烷偶联剂的玻纤添加量为35%时，复合材料的力学性能较好。当玻纤的含量继续增加，玻纤容易分散不均而产生聚集，从而产生缺陷。当玻纤含量为50%，材料冲击强度从13.0 kJ/m2下降至10.5 kJ/m2。使用硅烷偶联剂处理的玻纤与基体界面相互作用增强，相比于未用硅烷偶联剂处理的玻纤增强的复合材料，冲击强度有所提高。1.2增韧剂对玻纤/尼龙复合材料韧性影响玻纤的加入使得尼龙的韧性变差，尤其是在低含量玻纤的体系中。为了进一步提高玻纤增强复合材料的韧性，通常会加入增韧剂。增韧剂含量较低时，可以有效提升复合材料的韧性，但随着其含量增加，会产生粒径过大以及分散性变差的问题[26]。而且增韧剂含量过高时体系变软，同时复合材料的拉伸强度、拉伸模量明显下降，所以需要控制增韧剂含量在合适的范围内。Karayannidis等[27]为提高玻纤增强尼龙66复合材料的韧性，在复合材料中加入增韧剂马来酸酐接枝苯乙烯/乙烯-丁烯/苯乙烯共聚物(SEBS-g-MAH)，并研究其添加量对玻纤增强尼龙66力学性能的影响。结果表明：SEBS-g-MAH对纤增强尼龙66复合材料具有显著的增韧作用。随着SEBS-g-MAH添加量的增加，复合材料的冲击强度不断提高，韧性明显变强。SEBS-g-MAH添加量增加到10%，复合材料冲击强度增至60 J/m，相比未添加SEBS-g-MAH的复合材料提高近两倍。Laura等[28]探究乙丙橡胶/马来酸酐接枝乙丙橡胶(EPR/EPR-g-MAH)和SEBS/SEBS-g-MAH对玻纤增强尼龙6复合材料的力学性能的影响。结果表明：未添加玻纤的尼龙6/EPR/EPR-g-MAH复合材料存在合适的橡胶浓度，该浓度下橡胶粒径适宜，有利于材料冲击强度的提高。而添加质量分数15%的玻纤后，复合材料的冲击强度随橡胶浓度的增加而不断增加。对于含SEBS/SEBS-g-MAH的尼龙6复合材料，未添加玻纤时情况与PA6/EPR/EPR-g-MAH材料类似。添加质量分数15%的玻纤后，随着橡胶浓度的增加，复合材料的冲击强度从140 J/m增加至240 J/m后变稳定，这可能是由于其在玻纤/尼龙基体中的附着力较差。Abacha等[29]为改善尼龙6与聚丙烯(PP)的相容性，在玻纤增强PP/PA6复合材料中添加PP-g-MAH。随PP-g-MAH含量的增加，复合材料的冲击强度明显提高，并在PP-g-MAH的添加质量分数为5%时达到饱和，约为6.5 kJ/m2，进一步增加相容剂含量，复合材料的冲击强度没有继续提高。董淑慧[30]比较马来酸酐接枝聚乙烯辛烯共弹性体(POE-g-MAH)和SEBS-g-MAH对玻纤增强尼龙6复合材料的增韧效果。结果表明：POE-g-MAH的加入对玻纤增强尼龙6复合材料的力学性能的影响较小，但SEBS-g-MAH的增韧效果优于POE-g-MAH。添加质量分数3%的SEBS-g-MAH可以使复合材料的冲击强度显著增加，随着SEBS-g-MAH添加量增加，复合材料的冲击强度继续增加，SEBS-g-MAH对玻纤增强尼龙6具有较好的增韧效果。代佳丽等[31]制备增韧母粒(RTMB)，并将其与玻纤以及尼龙66熔融共混，制备PA66/RTMB/GF三元复合材料。扫描电镜显示，在玻纤和尼龙基体的界面区域存在大量的RTMB黏附，RTMB的加入有效提高玻纤和基体的界面结合力。在合适的RTMB浓度（质量分数10%）下，随着玻纤添加量的增加，PA66/RTMB/GF的拉伸强度、弯曲模量和冲击强度不断增加，在玻纤添加的质量分数为15%~25%，材料呈现明显的脆韧转变。2碳纤增强尼龙复合材料2.1碳纤/尼龙复合材料韧性碳纤(CF)与玻纤相比模量更高，强度更大、质量轻，因此碳纤增强尼龙复合材料的力学性能优于玻纤增强尼龙复合材料。碳纤已大量替代传统金属，应用于高性能汽车和航空航天等领域[32-34]。与玻纤类似，碳纤使用前也需要进行上浆处理，以提高其与基体的界面结合强度[35-36]。Xu等[37]研究不同的上浆剂对碳纤增强尼龙6的影响。结果显示：对未上浆的碳纤维，随着碳纤添加量增加，复合材料的拉伸强度增加，但冲击强度却下降。未经处理的碳纤与树脂的界面性能不好，界面会形成应力集中从而恶化冲击性能。添加环氧树脂类上浆剂以及对氨基苯甲酸类上浆剂的碳纤，随着碳纤添加量增加，复合材料的冲击强度不断提高。并且环氧类的上浆效果优于对氨基苯甲酸类，当复合材料中添加30%的环氧类上浆剂改性的碳纤时，复合材料的冲击强度从9.3 kJ/m2提高至13.7 kJ/m2。Feng等[38]采用再生碳纤(RCF)作为增强材料制备尼龙6基热塑性复合材料。结果表明：未经处理的碳纤，随着碳纤添加量增加，材料的冲击强度仅略微提高。而表面改性的碳纤能够增强复合材料断裂，纤维很少被抽出，纤维与基体具有良好的浸润性，建立机械互锁结构，使复合材料的冲击强度大幅提升。在碳纤添加质量分数20%以内，复合材料的冲击强度相比于纯尼龙提高一倍。Sang等[39]用硅烷偶联剂KH550对碳纤表面处理得到表面修饰的碳纤(MCF)，并研究其在增强尼龙6中的作用。结果表明：添加20份未改性碳纤维的复合材料的冲击强度为12.2 kJ/m2，而添加20份MCF的复合材料的无缺口冲击强度为18.5 kJ/m2，相比于未改性复合材料提高52%。MCF/PA6试样通过基体开裂和纤维断裂失效，而未处理的CF/PA6试样则通过拨出方式断裂，表明硅烷处理后的纤维与基体之间形成较强的界面黏结。2.2填料对碳纤/尼龙复合材料韧性影响Heiser等[40]将炭黑，石墨和碳纤三种填料分别加入尼龙66，对比三种填料的添加对复合材料的冲击强度的影响。研究表明：与纯尼龙66相比，添加炭黑和石墨的复合材料的冲击强度均略微下降；但是随着碳纤的增加，复合材料的冲击强度却明显提升，与纯尼龙66相比，添加质量分数30%碳纤维复合材料的冲击强度提高约一倍。王伟等[41]通过熔融共混方法成功制备尼龙6(PA6)/埃洛石纳米管(HNTs)二元复合材料和PA6/CF/HNTs三元复合材料。结果表明：单独添加HNTs时，HNTs对PA6基体具有增韧效果，在上述体系中添加CF后，发现CF和HNTs对PA6具有良好的协同增韧作用。添加30份的CF和10份的HNTs时复合材料的冲击强度提高至7.7 kJ/m2，比纯尼龙提高81.6%。Zang等[42]通过强化的静电相互作用将功能化的石墨烯吸附在碳纤表面，并将其添加到尼龙6中得到碳纤增强尼龙复合材料C-SG/PA6。所得复合材料导电率相比只添加碳纤的复合材料明显提高。石墨烯提高碳纤和尼龙基体的界面相容性，使材料的力学性能提高。随着C-SG含量的增加，C-SG/PA6的冲击强度不断上升，当C-SG添加量达到13%时，复合材料的冲击强度相比纯PA6提高113.17%。3玻纤/碳纤复合增强尼龙复合材料玻纤和碳纤对尼龙具有较好的增强效果，将玻纤和碳纤加入尼龙，可以起到协同增强的效果。Licea-Claverie等[43]将玻纤和碳纤加到尼龙66塑料中，研究了加工次数对玻纤/碳纤增强尼龙66复合材料性能的影响。加工次数五次以下，随着加工次数的增加，复合材料的冲击性能提高；但是加工次数达到5次以后，随着加工次数继续增加，复合材料的冲击性能降低。一开始随着加工次数增加，纤维的长度降低到一个最优值，此过程中其力学性能不断增加。但是超多这个次数后，纤维继续变短，过于短的纤维不利于材料的力学性能，从而降低了材料的冲击强度。牛永平等[44]将碳纤、玻纤和POE-g-MAH加入尼龙66中，制备混杂纤维/POE-g-MAH 复合增强尼龙66材料。相比碳纤增强尼龙66复合材料，混杂纤维填充的复合材料综合力学性能更佳。当混杂纤维添加份数为15时，材料冲击强度为12.5 kJ/m2，比碳纤单独填充尼龙66材料提高34%。SEM表明：混杂纤维与基体相容性较好，混杂纤维在POE-g-MAH的作用下对材料起到明显增韧作用。赵丽等[45]用硅烷偶联剂KH550分别处理碳纤和玻纤，研究玻纤/碳纤对尼龙66力学性能的影响。PA66/GF/CF复合材料的冲击强度随碳纤添加量的增加先提高后降低，在碳纤质量分数为11.8%，复合材料的冲击强度最大。因为碳纤添加量过大会造成聚集，以束状的形式在基体中，从而降低材料的冲击强度。王晓刚等[46]制备不同浓度的玻纤/碳纤复合增强尼龙66复合材料。随着碳纤添加量的增加，复合材料的冲击强度明显提高，当CF含量为15%、GF含量为20%时，复合材料冲击强度较优，为35 kJ/m2。但两种纤维的含量过多时，增大混杂纤维与基体的界面面积，复合材料内部产生微裂纹，不利于复合材料的冲击性能的提高。4结论玻纤或碳纤的加入可以大幅度提高尼龙的拉伸强度，但纤维和基体界面结合较差或添加量过多时，尼龙的冲击强度变小。另外，纤维增强尼龙复合材料中加入适量的增韧剂，可以提高复合材料的韧性。同时，纤维增强复合材料中填料分散均匀，既可以起到协同增强的效果，对复合材料的韧性的提高也具有一定的促进作用。纤维的界面结合强度对纤维增强尼龙复合材料的力学性能影响很大。如何进一步增强尼龙和基体的界面强度，提高尼龙与基体的相容性，以充分发挥纤维的增强增韧作用，仍然是要进一步解决的问题。