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表面接枝MgO的碳纤维/尼龙6复合材料：制备工艺、导热绝缘性能与应用前景

一、引言

1.1研究背景与意义

随着电子电气技术的飞速发展，电子设备不断向小型化、集成化和高性能化方向迈进。这使得设备在运行过程中产生的热量急剧增加，若不能及时有效地散热，会导致设备温度过高，进而引发性能下降、可靠性降低甚至故障等问题。与此同时，为确保电子设备的安全稳定运行，绝缘性能也是至关重要的，它能够防止电流泄漏，避免短路和电击等危险情况的发生。因此，开发兼具良好导热性能和优异绝缘性能的材料成为了电子电气领域的迫切需求。

碳纤维作为一种高性能材料，具有低密度、高强度、高模量以及良好的导热性能等优点。在航空航天领域，碳纤维增强复合材料被广泛应用于飞机机翼、机身等结构部件，不仅减轻了飞机的重量，还提高了其结构强度和稳定性。在体育器材领域，如高尔夫球杆、网球拍等，碳纤维的应用使得器材更加轻便且耐用，提升了运动员的使用体验和竞技表现。将碳纤维引入复合材料中，能够显著提高材料的力学性能和导热性能，为解决散热问题提供了新的途径。

尼龙6（PA6）是一种常用的热塑性工程塑料，具有良好的机械性能、耐磨性、耐化学腐蚀性以及成型加工性等特点。在汽车制造领域，尼龙6被用于制造发动机罩、保险杠、内饰件等零部件，能够满足汽车对材料强度、韧性和耐候性的要求。在电子电器领域，尼龙6可用于制造外壳、插座、接线端子等部件，展现出良好的绝缘性能和尺寸稳定性。尼龙6作为复合材料的基体，能够为材料提供良好的综合性能和成型加工性能。

氧化镁（MgO）是一种常见的无机化合物，具有高熔点、高硬度、良好的化学稳定性以及优异的绝缘性能。在电子封装领域，MgO常被用作绝缘材料，能够有效地隔离电子元件，防止电流泄漏。在高温炉衬材料中，MgO凭借其高熔点和化学稳定性，能够承受高温环境的考验，保证设备的正常运行。将MgO引入复合材料中，可以进一步提高材料的绝缘性能和耐热性能。

本研究旨在制备表面接枝MgO的碳纤维/尼龙6导热绝缘复合材料，通过对碳纤维进行表面改性，使其与MgO和尼龙6更好地结合，充分发挥各组分的优势，从而获得具有优异导热性能和绝缘性能的复合材料。这不仅有助于解决电子电气领域中散热和绝缘的难题，提高电子设备的性能和可靠性，还能够拓展碳纤维、尼龙6和MgO在复合材料领域的应用范围，为相关产业的发展提供新的材料选择和技术支持，具有重要的理论意义和实际应用价值。

1.2国内外研究现状

在碳纤维表面改性方面，国内外学者进行了大量的研究。表面氧化法是一种常见的改性方法，通过将碳纤维放置于氧化剂中发生氧化反应，在纤维表面生成含氧的极性基团，从而改善碳纤维与基体之间的界面结合性能。液相氧化通常使用HNO?、H?PO?和KMnO?等溶液或者混合溶液作为氧化剂，这种方法虽然能够增加纤维表面的粗糙度和含氧官能团数量，但也可能导致碳纤维本身的拉伸强度下降。等离子处理法利用高能量离子体轰击纤维表面，使纤维分子激发、电离和化学键断裂，在纤维表面产生各种极性基团和自由基，提高纤维表面的润湿性和与树脂基体的粘附性，同时还能清除纤维表面杂质，使纤维表面粗化，但该方法对设备要求较高，处理成本相对较高。表面上浆法是将浆液均匀地附着在碳纤维表面，形成一层保护层，减少纤维起毛、断丝，提高纤维的集束性和耐磨性，上浆剂的选择和使用对复合材料的性能有重要影响，需要与基体匹配才能发挥最佳效果。

对于尼龙6基复合材料的研究，主要集中在提高其力学性能、热性能和功能性等方面。通过添加各种增强材料，如玻璃纤维、碳纤维等，可以显著提高尼龙6基复合材料的强度和模量。在汽车零部件制造中，玻璃纤维增强尼龙6复合材料被广泛应用于发动机罩、保险杠等部件，提高了部件的强度和耐久性。研究不同的制备工艺和加工条件对尼龙6基复合材料性能的影响也受到了关注。原位聚合法能够使增强材料与尼龙6在聚合过程中形成良好的界面结合，提高复合材料的性能，但该工艺相对复杂，对反应条件的控制要求较高。

关于MgO在复合材料中的应用，目前主要集中在提高复合材料的绝缘性能、耐热性能和阻燃性能等方面。在绝缘材料中添加MgO，可以提高材料的绝缘电阻和击穿电压，增强其绝缘性能。在一些高温环境下使用的复合材料中，MgO的加入能够提高材料的热稳定性和耐高温性能。有研究将MgO与其他阻燃剂复合，用于制备阻燃尼龙6复合材料，取得了较好的阻燃效果，但在提高复合材料导热性能方面的研究相对较少。

尽管国内外在碳纤维表面改性、尼龙6基复合材料以及MgO在复合材料中的应用等方面取得了一定的进展，但仍存在一些不足之处。例如，目前的碳纤维表面改性方法在提高界面结合性能的同时，往往会对碳纤维的力学性能产生一