作为航天器研制不可或缺的基础材料,碳纤维树脂基复合材料的设计要解决的主要问题是在满足强度的条件下,解决刚度问题。高模量的树脂基体有利于复合材料抵抗横向变形。随着高模量碳纤维关键制备技术的突破,国产高模量碳纤维对与之配套使用的树脂基体的刚度也提出了更高的要求。环氧树脂需要固化后才能做为复合材料的基体使用。环氧树脂体系的固化反应直接影响及控制树脂基体的交联结构和材料的力学性能。了解和研究环氧树脂体系的固化反应是研究制备高刚性树脂基体的首要任务。纤维-基体间的界面层设计是研究设计高刚性复合材料的关键。针对上述问题,本课题的主要工作如下：(1)建立了羟基催化条件下的胺基与环氧基之间的分子反应模型。通过对MTB/TDE85体系和TFMB/TDE85体系、DDM/TDE85体系和DDS/TDE85体系的固化动力学研究发现：在固化反应初期各树脂体系的固化行为均符合催化模型,这也验证了分子模拟中提出的在固化初期羟基催化条件下的胺基与环氧基之间的分子反应模型的合理性。以羟基催化条件下的胺基-环氧基分子反应为基础,通过对反应过渡态的分析,研究了MTB、TFMB、DDM以及DDS胺类固化剂与环氧官能团反应的能垒。在MTB/TDE85体系和TFMB/TDE85体系、DDM/TDE85体系和DDS/TDE85体系的固化动力学研究过程中以实验数据拟合曲线来比对固化动力学方程,验证、修正了所用的n级固化动力学模型。在此基础上确定的各体系的固化反应活化能大小顺序与分子模拟预测的结果相符,也说明了分子模拟中所建立的模型的合理性。通过对环氧树脂-胺类固化剂的固化机理进行的分子模拟研究,构建的不同单体分子的反应过渡态模型,能够预测不同化学结构的胺类固化剂固化反应活性,为新型结构固化剂的选择提供了固化性能预报。(2)分别建立了相同固化度条件下的MTB/TDE85体系和TFMB/TDE85体系、DDM/TDE85体系和DDS/TDE85体系的交联结构模型。通过分子动力学与实验相结合的方法研究了各树脂体系的玻璃化转变温度。通过对比发现,模拟值与实验值结果较为一致。研究表明,固化剂分子结构的微小变化对树脂基体玻璃化温度具有较为明显的影响。研究发现刚性分子链段及较强的分子间作用力均能够提高树脂基体的玻璃化转变温度。在相同固化度条件下建立了MPD/TDE85体系、DETDA/TDE85体系及碳纳米管增强的DETDA/TDE85体系的交联结构模型。利用分子动力学方法研究了各树脂体系的模量并研究了各树脂体系的分子链段的刚柔性、运动能力、分子链段的堆砌结构、自由体积的大小及体系内聚能密度对体系模量的影响。研究发现：自由体积的大小及分布、体系内聚能密度对体系最终模量有着决定性的影响。通过构建的微观结构特性与材料模量、玻璃化转变温度等宏观性能的关联,为高模量耐高温树脂基体的设计提供了思路。(3)以碳纳米管直接沉积碳纤维表面或含碳纳米管的上浆剂涂覆碳纤维的方法,在碳纤维和树脂基体之间建立了模量过渡层。通过复合材料劈裂面电镜照片可以观察到,在碳纤维和树脂基体之间碳纳米管呈现出了一种梯度分布状态,靠近纤维表面碳纳米管分布较为集中,由纤维表面到树脂基体碳纳米管的分布逐渐减少。碳纳米管的这种梯度分布状态可以在碳纤维与树脂基体之间构建过渡层,消减了树脂基体与碳纤维之间的模量突变,提高了复合材料的界面剪切强度。分析表明表面涂覆碳纳米管的碳纤维复合材料断面处没有出现树脂基体完全脱离纤维表面的情况,依然存在较多树脂附着在纤维表面。可以推断碳纳米管增强了复合材料的界面,使得树脂基体的模量和复合材料界面处的模量趋于一致,复合材料的界面层性能与树脂基体性能差异减小,由此带来的较高的界面剪切强度在材料破坏时使裂纹沿着纤维纵向在界面层中的发展会受到抑制,纤维-树脂基体之间的破坏形式主要为界面层附近基体的破碎所造成的界面脱粘,劈裂面处纤维表面明显粘附有残留的树脂基体,此时复合材料表现为较优异的性能。模量过渡层的构建,为多尺度增强增韧的新工艺提供了应用参考。