环境恶化与能源危机使得轻量化材料在国际上受到越来越广泛的重视。碳纤维增强树脂基复合材料因其轻质、高比强和高比刚的特性成为轻量化技术的理想材料之一。然而,碳纤维表面光滑,惰性大,与树脂基体的界面粘结通常较弱,而界面作为复合材料中纤维与树脂基体联结的“桥梁”,在很大程度上影响着材料最终的综合力学性能。因此,开发一种简单高效的碳纤维表面改性处理方法,在不损伤纤维本体强度的前提下,有效改善碳纤维复合材料的界面粘结性能,进而提升复合材料的整体使用性能,对推动碳纤维复合材料在新一代汽车、航空航天新材料、海洋科学等军民领域的发展和应用具有重大意义。本文以提高碳纤维/树脂基复合材料界面性能为目标,分别设计和构筑了聚(环三磷腈-co-4,4’-二羟基二苯砜)微球、聚(环三磷腈-co-4,4’-二羟基二苯砜)纳米管改性的多尺度杂化碳纤维增强体,并研究了新型多尺度增强体对复合材料界面性能的影响规律,主要研究工作如下:(1)以六氯环三磷腈与4,4’-二羟基二苯砜为共聚单体,通过一步法原位聚合,将聚磷腈微球引入到纤维表面,构筑了聚磷腈微球/碳纤维多尺度杂化增强体。聚磷腈杂化修饰层有效提高了纤维的表面粗糙度(Ra)、化学表面能,从而有效提高了纤维与树脂之间的浸润吸附性能及“锚定”效应,进而改善碳纤维/环氧复合材料的界面性能,界面剪切强度从68.91 MPa提高到84.75 MPa,增幅达23.0%。同时,聚磷腈膜层可以在一定程度上修复碳纤维的表面缺陷,使纤维单丝拉伸强度提升了15.59%。(2)以六氯环三磷腈与4,4’-二羟基二苯砜为共聚单体,通过原位模板法,将聚磷腈纳米管引入碳纤维表面,构筑了聚磷腈纳米管/碳纤维多尺度杂化增强体。聚磷腈纳米管多尺度杂化层提高了纤维的表面粗糙度、化学表面能,有效提升了纤维与树脂基体的“钉扎”、“锚定”效应及润湿能力,改善碳纤维复合材料的界面粘结性能,界面剪切强度从68.91 MPa提高到87.11 MPa,增幅达26.41%。同时,聚磷腈纳米管杂化修饰层通过修复纤维表面缺陷及膜层协同增强效应,使碳纤维单丝拉伸强度从4.17 GPa提高至4.85 GPa。此外,通过多巴胺氧化自聚作用,在聚磷腈纳米管/碳纤维杂化增强体表面沉积了聚多巴胺修饰层,使得界面剪切强度进一步提高到90.32MPa。(3)进一步探索了亚微米级聚磷腈微球及聚磷腈纳米管杂化修饰层对碳纤维增强热塑性聚酰胺(PA6)复合材料界面性能的影响。由于聚磷腈微球、聚磷腈纳米管可以显著提高纤维的表面粗糙度、表面自由能,使得微纳多尺度杂化碳纤维与聚酰胺基体之间形成有效界面相,显著改善了纤维/聚酰胺之间的界面粘结性能。聚磷腈微球、聚磷腈纳米管改性碳纤维/聚酰胺复合材料界面剪切强度分别从37.68 MPa提升至53.79 MPa、52.32 MPa,增幅分别为42.75%、38.85%。聚磷腈微纳多尺度杂化修饰层对热塑性聚酰胺复合材料界面粘结性能有更好的改善效果。本课题对聚磷腈/碳纤维多级界面的设计、构筑、本体表征及其树脂基复合材料界面剪切性能进行了系统研究与分析,有助于解决碳纤维增强热固性、热塑性树脂基复合材料界面粘结强度偏低的共性问题,为复合材料多级界面的构筑及界面力学性能的调控探索了新的技术方法。