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本文利用溶胶-凝胶法，以硅烷偶联剂（KH550）和正硅酸乙酯（TEOS）为前躯体，固体酸对甲苯磺酸为催化剂，原创性地制备出一种固化后具有膜粒结构的表面处理剂；利用该表面处理剂对碳纤维进行表面改性处理，探讨表面改性对碳纤维外观形态、力学性能等的影响；在此基础上，将碳纤维与环氧树脂复合，研究表面改性对碳纤维/环氧树脂复合材料界面性能的影响。通过对表面改性剂制备工艺的优化，原位制得了固化后粒子分散均匀，尺寸均一，具有“膜粒结构”的碳纤维表面处理剂，膜粒的粒子尺寸在20-30nm，膜与粒子之间相互有很好的连续性，同时制得的表面改性剂中Si-O-Si和Si-OH的红外吸收峰明显，硅烷偶联剂与纳米SiO2之间有共价键存在，通过线性热膨胀系数测定，发现表面改性剂的热膨胀系数介于碳纤维与环氧树脂之间，这为减少碳纤维增强复合材料界面的残余应力，提供了良好的基础。因此，该表面改性剂为碳纤维的表面改性提供了新的选择。将制备的表面改性剂用于碳纤维的表面改性，探索表面处理工艺对碳纤维改性效果的影响，结果发现：表面处理工艺对处理后碳纤维的外观形态、力学性能有一定的影响，表面改性剂未经陈化直接涂覆到纤维表面之后，纤维表面粗糙，呈现明显的纳米SiO2颗粒；表面改性剂经过陈化后，再涂覆到纤维表面之后，纤维表面较平整，表面的凹槽得到填补，纳米SiO2颗粒被包覆在膜结构中；碳纤维经过表面改性剂处理后其拉伸强度得到明显提高，显示表面改性剂对碳纤维有显著的补强修复效果。在此基础之上，将改性后的碳纤维与环氧树脂进行复合，研究了碳纤维与环氧树脂界面的结合性能，结果表明：经过表面处理后的碳纤维制备的碳纤维/环氧树脂复合材料的界面性能都有明显的改善，其中经过硝酸预处理之后用陈化后的表面改性剂进行改性的碳纤维制备的复合材料其界面剪切强度（IFSS）达到了26.74MPa，然而只经过丙酮处理的碳纤维/环氧树脂复合材料其IFSS值只有13.52MPa；增长幅度将近一倍。该方法尚未见文献报道，为提高碳纤维增强复合材料的界面性能提供了新的思路。