碳纤维增强树脂基复合材料是当今时代最受瞩目的工程材料之一,具有高强高模,较强的耐用性,尺寸稳定性与较低的密度等优点。但由于碳纤维复合材料中碳纤维表面的化学惰性,表面能低等缺点,导致碳纤维与树脂基体之间的界面结合力较弱,受外力作用时复合材料界面易先被破坏,无法有效地将载荷传递到碳纤维,发挥其高强高模的性能,从而限制了碳纤维复合材料的综合性能。此外,复合材料的界面层容易在外力作用下产生微裂纹,引发应力集中效应并最终破裂。即便通过其他方法增强了界面层,仍无法避免微裂纹的产生。而界面破裂后不仅难以发现,且无法自行复原,因此界面破坏后材料性能将明显降低,同时大大影响复合材料的使用寿命,增加了材料使用风险。针对以上问题,本研究以环氧树脂为基体,从增强碳纤维与树脂基体的界面强度,与引入界面修复两个方向,对该复合材料进行界面分子设计,提升该复合材料的界面性能。具体地:(1)以六臂环氧单体(EHEP)为反应原料,通过重复地进行逐步接枝和环氧基团的氨化开环反应,在碳纤维的表面上接枝新型?-羟基伯胺封端支化聚磷腈。该支化聚磷腈能够使碳纤维表面的化学活性得到了显著的提高,并参与基体的固化过程,在碳纤维与基体间形成强化学键力。界面剪切强度测试(IFSS)的研究结果显示,进行了两次接枝和氨化开环反应的碳纤维,其界面强度得到了105%的提升。(2)在碳纤维表面原位构筑聚(六氯环三磷腈(HCCP)-co-4,4’-二氨基二苯醚(ODA))层,可以提高碳纤维表面的极性与浸润性,从而增强复合材料界面强度。但该聚磷腈层的高交联度导致其脆性较大,传递载荷时容易被破坏,影响界面强度。本研究通过在聚磷腈层的原料组成中引入柔性链段D230,调控碳纤维表面接枝的环交联聚膦腈的分子结构中的链活动能力,调节碳纤维复合材料界面的强度和韧性,同时探究在ODA与D230的不同的刚性/柔性链段的配比下形成的聚磷腈层对IFSS值的影响。研究结果显示,仅以柔性组分构成聚磷腈层后,碳纤维/环氧树脂界面的IFSS值相比先前研究中,仅以刚性链段ODA构成聚磷腈层时的IFSS值无明显变化,但随着柔性链段摩尔配比的增加,IFSS值会随之上升,且在ODA:D230的摩尔配比为1:3时,其IFSS值可从40.8 MPa提升至81MPa。(3)使用糠胺对商用E51环氧树脂进行氨化开环反应,制备一种两端带有呋喃基团的改性环氧树脂单体FAE。通过对商用三臂长链固化剂T403与马来酸酐进行反应,制备一种带有3个马来酰亚胺基团的交联剂MAT。两种化合物共同组成一种环氧基上浆剂,该上浆剂的两种组分会分别在70℃与130℃下发生正/逆的Diels-Alder(DA)反应,从而可在碳纤维/环氧树脂界面遭到破坏后,通过DA反应重新构成界面层,达到修复界面的目的。通过进行循环IFSS测试的研究结果表明,上浆后的碳纤维/环氧树脂界面的IFSS值提升了75.6%,同时可带来93.8%的初次修复率,并且在修复3次后,仍能够保持51.3%的修复率。