在轻量化材料体系中，碳纤维增强尼龙基复合材料凭借高比强度、高比模量与良好的成型加工性，成为汽车、航空航天、轨道交通等领域的理想选材。然而，碳纤维表面化学惰性强、与极性尼龙基体界面相容性差的固有缺陷，导致两者界面结合力薄弱，在外力作用下易出现界面脱粘、纤维拔出等失效行为，严重制约复合材料力学性能的发挥。碳纤维表面改性技术通过物理或化学手段调控纤维表面形貌与化学组成，构建“纤维-基体”强结合界面，成为突破这一技术瓶颈的关键，可实现尼龙基复合材料拉伸强度、弯曲强度、层间剪切强度等核心力学性能的显著提升。
碳纤维表面改性技术的核心逻辑，是通过“物理刻蚀增韧+化学接枝相容”的双重策略，强化碳纤维与尼龙基体的界面作用。从界面作用机制来看，碳纤维与尼龙基体的界面结合主要依赖机械咬合、范德华力与化学键合，其中化学键合的作用强度最高，也是改性技术的核心发力点。未经改性的碳纤维表面光滑，仅依靠微弱的范德华力与尼龙基体结合，界面传递载荷的能力有限；而经过改性的碳纤维，表面会形成粗糙的刻蚀形貌与活性官能团，一方面通过物理刻蚀增加纤维比表面积，提升机械咬合作用，另一方面通过化学接枝引入与尼龙分子链相容的官能团，形成稳定的化学键合，从而构建起高效的载荷传递界面，大幅提升复合材料的力学性能。
化学改性技术是提升碳纤维与尼龙基体界面相容性的主流路径，通过氧化、接枝等反应在碳纤维表面引入活性官能团，实现化学键合增强，主要包括氧化改性、偶联剂改性与聚合物接枝改性三大类。氧化改性是最基础的化学改性方法，分为液相氧化与气相氧化两种方式，液相氧化常用浓硝酸、浓硫酸等强氧化剂，气相氧化则采用等离子体、臭氧等介质，其核心原理是通过氧化反应在碳纤维表面刻蚀出沟槽、微孔等粗糙结构，同时引入羟基（-OH）、羧基（-COOH）、羰基（-C=O）等极性官能团。这些极性官能团可与尼龙分子链末端的氨基（-NH₂）发生酰胺化反应，形成稳定的酰胺键，显著增强界面结合力。例如，采用等离子体氧化改性的碳纤维，表面含氧官能团含量可提升30%以上，制备的碳纤维/尼龙6复合材料层间剪切强度较未改性体系提升40%-50%。
偶联剂改性是工业生产中应用最广泛的技术，通过在碳纤维与尼龙基体之间搭建“分子桥梁”实现界面相容，硅烷偶联剂与钛酸酯偶联剂是常用类型。硅烷偶联剂分子同时含有能与碳纤维表面羟基反应的烷氧基，以及能与尼龙基体相容的有机官能团（如氨基、环氧基），其改性机制是：烷氧基水解生成硅羟基，与碳纤维表面羟基发生脱水缩合反应，实现偶联剂在碳纤维表面的共价键接枝；而有机官能团则与尼龙分子链发生物理缠绕或化学反应，形成“碳纤维-偶联剂-尼龙基体”的连续界面层。以γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）改性为例，经其处理的碳纤维与尼龙6基体界面结合强度提升显著，复合材料拉伸强度可提升25%-35%，弯曲强度提升20%-30%。钛酸酯偶联剂则通过与碳纤维表面官能团形成配位键，同时与尼龙基体产生相容性作用，尤其适用于玻纤/碳纤维混杂增强尼龙体系，兼具改性效果与成本优势。
聚合物接枝改性是更精准的界面调控技术，通过乳液聚合、原子转移自由基聚合（ATRP）等方法，将尼龙或与尼龙相容性好的聚合物分子链接枝到碳纤维表面，形成“柔性界面层”。该技术的优势在于，接枝的聚合物分子链可与尼龙基体分子链发生深度缠结，同时柔性界面层能有效缓冲外力冲击，减少应力集中。例如，将尼龙6预聚体接枝到碳纤维表面后，碳纤维与尼龙6基体的界面过渡区厚度增加，界面结合力大幅提升，制备的复合材料层间剪切强度提升60%以上，同时抗冲击性能也得到改善。此外，通过接枝马来酸酐接枝聚乙烯（PE-g-MAH）等相容剂，也可显著提升界面相容性，解决碳纤维与尼龙基体界面脱粘问题。
物理改性技术则聚焦于碳纤维表面形貌的调控，通过刻蚀、涂层等方式增加纤维比表面积，强化机械咬合作用，主要包括等离子体刻蚀、砂磨处理与涂层改性。等离子体刻蚀是一种干法物理化学改性技术，利用等离子体中的高能粒子轰击碳纤维表面，一方面刻蚀去除表面的惰性杂质层，形成粗糙的微观形貌，增加比表面积；另一方面激活碳纤维表面原子，生成大量活性位点，为后续化学改性提供基础。与传统化学氧化相比，等离子体刻蚀具有改性效率高、环保无污染、可精准控制表面官能团含量的优势，改性后的碳纤维增强尼龙6复合材料，其层间剪切强度提升幅度可达35%-45%。砂磨处理则是通过机械研磨的方式，在碳纤维表面形成细密的沟槽，提升机械咬合作用，该技术工艺简单、成本低，适用于对改性效果要求不高的通用级复合材料，可使复合材料拉伸强度提升10%-15%。涂层改性则是在碳纤维表面涂覆一层与尼龙基体相容的树脂涂层，如环氧树脂、酚醛树脂，涂层不仅能填平碳纤维表面缺陷，还能通过树脂与尼龙的相容性增强界面结合，同时提升碳纤维的抗磨损性能，延长其在成型加工过程中的使用寿命。
改性效果的协同优化与工艺适配，是实现碳纤维增强尼龙基复合材料力学性能最大化的关键。在实际应用中，单一改性技术往往存在局限性，例如氧化改性虽能引入官能团，但过度氧化会损伤碳纤维自身强度；偶联剂改性效果显著，但偶联剂用量存在最优值，过量添加反而会降低复合材料力学性能。因此，采用“物理刻蚀+化学接枝”的复合改性策略成为趋势，例如先通过等离子体刻蚀增加碳纤维表面粗糙度与活性位点，再进行硅烷偶联剂接枝，可实现界面结合力的协同提升，复合材料力学性能的提升幅度远超单一改性技术。同时，改性工艺需与复合材料成型工艺相适配，例如注塑成型用的碳纤维需采用分散性好的改性工艺，避免纤维团聚；而模压成型用的碳纤维则可采用高接枝率的改性技术，最大化提升界面结合力。
碳纤维表面改性技术的应用，已在多个领域实现了尼龙基复合材料力学性能的突破。在汽车领域，改性碳纤维增强尼龙6复合材料用于制造发动机支架、底盘部件，其拉伸强度可达200MPa以上，弯曲强度超250MPa，较未改性体系提升30%以上，同时重量减轻30%-40%；在航空航天领域，高性能碳纤维表面改性技术制备的尼龙基复合材料，层间剪切强度提升50%以上，满足航空结构件对高承载性能的需求；在轨道交通领域，改性碳纤维增强尼龙复合材料用于制造车体部件，兼具轻量化与高抗冲击性能。
未来，碳纤维表面改性技术将朝着绿色化、精准化、多功能化方向发展，开发环保型等离子体改性、生物基偶联剂改性等技术，减少化学试剂的使用；通过分子模拟技术精准设计改性官能团与界面结构，实现力学性能的定向调控；同时引入导电、导热等功能改性，制备集高性能与多功能于一体的碳纤维增强尼龙基复合材料，进一步拓展其应用领域。
