碳纤维因其出色的力学性能而被广泛用作树脂基复合材料的增强体来使用,但由于碳纤维主要由石墨微晶构成,惰性极强,导致其与树脂基体间的界面结合能力较差,进而影响材料的整体性能。因此,为了制备出高性能的碳纤维复合材料,需对材料的界面进行优化。本文以提高碳纤维/环氧树脂复合材料的界面性能为目的,结合三嗪分子的结构特点对复合材料的界面进行设计。采用化学接枝法分别将三聚氰胺、三嗪类树枝状分子和碳纳米管连接到碳纤维表面,并深入研究了碳纤维及其复合材料表面和界面性能的增强机制。分别以亚临界水和超临界甲醇为反应介质,采用化学接枝法将三聚氰胺接枝到碳纤维表面,考察了不同反应时间下碳纤维及其复合材料性能的变化情况。亚临界体系中碳纤维表面改性的测试结果表明,随着反应时间由5 min逐渐增加至35 min时,碳纤维表面的氨基含量,对液体的浸润性以及表面能均得到明显提高,碳纤维复合材料的界面剪切强度和冲击韧性也随之增强。与接枝前相比,反应35 min时复合材料的界面剪切强度和冲击韧性分别提高了35.1%和24.4%。当以超临界甲醇为介质时,反应时间为25 min时复合材料的界面剪切强度提高了41.3%,界面性能最好;而冲击韧性仍在35 min时提高幅度最大。此外,相同反应时间下超临界甲醇相对温和的反应条件更有利于反应的进行并且对碳纤维本体强度损害较小,使碳纤维及其复合材料性能的改善更加明显。根据三嗪分子特殊的支化结构,设计将由其衍生的三嗪类树枝状分子接枝到碳纤维表面。首先以三聚氰氯为活性中心,选取乙二胺和对苯二胺为氨基供体,在碳纤维表面形成第一代树枝状分子。其中,对苯二胺由于分子的刚性相对较强,更有利于复合材料性能的提高。在此基础上,采用逐步生长法接枝三代含端氨基的三嗪类树枝状分子。随着代数的增加,树枝状分子刚性的支化结构和大量的极性官能团引起了纤维表面活性和表面粗糙度的明显变化,进而增强了界面处的化学和物理作用;逐渐增长的分子链有助于界面处载荷的均匀传递,对环氧分子在界面处运动的限制增强,有效地减缓复合材料开裂,使界面失效机制转变为界面和基体的共同破坏。接枝三代树枝状分子后,复合材料的界面剪切强度与接枝前相比提高了61.8%;同时也表现出最好的抗冲击能力。采用化学接枝法将官能化碳纳米管接枝到碳纤维表面,制备了碳纳米管/碳纤维跨尺度增强体。测试结果表明,官能化碳纳米管能够提高碳纤维的浸润性,使碳纤维与树脂的结合强度增加。同时,碳纳米管较高的长径比还能增加纤维与树脂间的接触面积,提高二者间的物理化学作用,有利于外加载荷在界面相中更均匀的传递。结合Layer-by-layer(LBL)法和化学接枝法将三聚氰胺和官能化碳纳米管逐层交替接枝到碳纤维表面。利用两者在碳纤维表面产生的多尺度结构和较高的极性官能团含量,使纤维与树脂间的界面相容性提高。此外,由于三聚氰胺分子层特殊的支化刚性结构对碳纳米管的“支撑”作用,实现碳纳米管在碳纤维表面更高密度和更高均匀性的接枝。同时,相互搭接呈网状结构的碳纳米管对在纤维表面运动的树脂基体起到固定作用,促进二者形成有效结合,使复合材料的界面剪切强度提高了104.4%。