碳纤维树脂基复合材料是先进复合材料的重要品种，是关乎国家安全的“卡脖子”关键战略材料。复合材料树脂基体（含量占35vol.％以上）决定了材料的成型工艺性、层间力学性能、耐热等级与服役性能。随着国产碳纤维实现了从“无”到“有”的突破，其专用树脂基体存在的性能不匹配、碳纤维强度发挥弱、耐热等级低以及品种不成系列等日益突显，由于专用材料的国际禁运，必须立足自主研发以满足国家战略需求。本课题主要针对树脂基体改性和碳纤维改性两个方面来探索改善二者间匹配性与界面结合性的作用机制，从而最大限度发挥复合材料的结构-性能一体化优势。
　　传统材料研究方法主要依靠经验和试错途径来达到材料性能的优化，往往需要耗费大量人力、物力和财力，本论文通过高通量第一性原理计算结合已知的可靠实验数据，探寻、建立材料性能与分子结构间的关系模式，有效缩短材料分析和研究周期，从而加速材料研究创新。论文主要围绕环氧树脂固化体系的分子微观结构与宏观性能的关联性，不同维度的纳米填料（碳纳米管、氧化石墨烯）对环氧树脂交联网络的分子结构与热学、力学性能的影响规律，以及碳纳米管改性碳纤维多尺度协同增强环氧树脂复合材料的界面及力学性能的作用机制等三个方面系统地开展了理论和实验研究。主要研究内容与结论如下:
　　1.环氧树脂/芳族胺体系的固化反应研究及其弹性模量与微观结构的关联机制。
　　结合DSC、实时近红外、量子力学计算等方法，论文探究了二元醇催化环氧树脂交联中化学键的变化规律，提出了二元醇作为有效的氧负离子载体对环氧树脂催化固化的机理，加深了对环氧树脂链转移催化固化的机理认识。运用分子动力学(MD)模拟从分子尺度上全面探究了树脂交联体系的本构参数，结合实验结果总结出较为完整的环氧树脂交联网络分子结构与宏观性能的相互关联，并探讨了碳纳米粒子的引入对其产生的影响。研究表明:位阻较小的固化剂分子和碳纳米管(CNT)的引入会使树脂交联网络的内聚能密度提高，自由体积减小，分子链段更难运动从而实现树脂体系的高模量，其中，分子链段的堆砌和分子间的内聚能是影响环氧树脂/胺固化体系宏观性能的决定性因素。
　　2.碳纳米管对环氧树脂/胺固化体系热性能的影响及其弹性模量在高、低温下的变化机制。
　　建立CNT掺杂两种环氧树脂固化体系的模型作为平行对照，探究在不同温度环境下，不同环氧树脂体系结构与性能的变化规律，以及碳纳米管在不同树脂体系中的作用效果。利用MD模拟与实验相结合的方法，在分子尺度明确了CNT改性对树脂基体在高低温极端环境下的结构保护效应，温度升高对于树脂体系的内聚能密度和分子链段堆砌的影响较大，CNT的添加可以限制高温对树脂内部结构的破坏，进而奠定了研究CNT/碳纤维协同增强环氧树脂基复合材料微观机理的理论基础。
　　3.不同结构的聚多巴胺(PDA)改性氧化石墨烯对环氧树脂体系热性能及力学性能的影响机制。
　　针对PDA改性GO纳米粒子的不同分子结构，结合MD模拟和密度泛函理论计算发现:GO层数的增加不利于GO粒子与环氧树脂间的界面结合，且单一的PDA表面修饰GO粒子对界面结合起不到改善作用，然而PDA插层修饰GO粒子的“夹层结构”可有效提升GO粒子与环氧树脂间的界面结合能。
　　4.官能化碳纳米管表面修饰碳纤维增强环氧树脂复合材料的界面性能和力学性能模拟研究。
　　结合实验分析和MD模拟从分子尺度阐明分子结构、界面结合能和链段的堆砌对CNT改性碳纤维和树脂基体之间界面和力学性能的影响机制，发现了碳纤维表面不同的官能化CNT产生的空间位阻效应及纳米尺寸效应在界面结合中起主导作用，从而影响整体碳纤维/树脂基纳米复合材料的界面性能和力学性能。