作为一种增强材料,炭纤维具有优异的力学性能、高比强度和模量、低密度和热膨胀系数、耐热性及化学稳定性,为研究人员开发高性能复合材料提供了动力。目前,炭纤维增强聚合物基复合材料(CFRP)被广泛应用于航空航天,体育用品以及新能源等领域中。但炭纤维表面状态光滑并呈现化学惰性,使其与聚合物基体间的界面结合性能较差,导致复合材料难以发挥其优异的综合性能,因此需要采用化学或物理等方法对其进行表征改性,以期提高炭纤维表面活性,从而促进界面结合强度。目前很多表面处理方式都会或多或少的对炭纤维本体的拉伸强度造成损伤,使其不能与提高复合材料界面粘结强度兼得。本文以先进聚合物基复合材料中常用的炭纤维/环氧复合材料为研究对象,根据炭纤维表面结构特点,采用多种改性方法相结合的方式,并选取了不同代数的PAMAM树枝状大分子,通过常压等离子体、乙醇热解炭沉积和化学反应接枝PAMAM树枝状大分子法对炭纤维表面进行处理,达到了增强炭纤维本体强度的同时又提高炭纤维/环氧复合材料界面性能的良好改性效果。为提高炭纤维本体强度,采用热解炭沉积结合等离子体处理两步法对炭纤维进行表面改性,通过分析炭纤维表面形貌、本体强度及其对复合材料界面性能影响,确定了乙醇热解炭沉积时间5 min、等离子体处理时间1 min时为最佳处理时间,处理后炭纤维表面被均匀的热解炭层覆盖,元素分析结果表明其表面碳元素含量增加;经两步法处理的炭纤维/环氧复合材料的界面剪切强度由原丝的65 MPa提高至83 MPa,提高幅度为27.7%。为提高炭纤维/环氧复合材料界面性能,采用G0代、G0.5代、G1.0代、G1.5代、G2.0代、G2.5代和G3代PAMAM树枝状大分子对炭纤维表面进行接枝改性,对比分析了炭纤维原丝、硝酸氧化处理后炭纤维和不同代数PAMAM接枝改性前后炭纤维表面形貌、表面化学元素组成、纤维表面浸润状态和本体强度的变化:经接枝后的炭纤维表面产生了众多的PAMAM分子,一些在沟壑周围或者沟壑内的分子将炭纤维表面的纵向沟壑覆盖或者部分填充,且PAMAM分子体积随着接枝代数的增加呈现出几何倍数的增加,使得炭纤维表面的粗糙程度明显提高;表面能升高,有助于提高炭纤维与树脂之间的浸润性,从而提高炭纤维/环氧树脂复合材料界面性能;分子动力学模拟计算表明,引入PAMAM分子会提高石墨与环氧树脂间的界面结合能,与实验结果一致。以等离子体为预处理方法,结合乙醇热解炭沉积和接枝PAMAM大分子的处理方法对炭纤维表面进行改性,达到纤维补强和界面强度提高的双重目的。经改性后,炭纤维强度提高了16.7%,同时,炭纤维/环氧复合材料界面剪切强度提高了26.56%。通过对炭纤维表面微观形貌、表面化学元素、浸润性表征,借助原子力显微镜力调制模式对复合材料截面不同界面相的模量测试,分析得到热解炭结合化学接枝改性炭纤维表面的方法对复合材料界面相起到增强增韧作用的三个主要因素分别为纤维表面粗糙度的提高、纤维与基体浸润性的提高以及界面微区中热解过渡炭层效应。