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碳纤维增强聚合物基复合材料具有质量轻、高比强度、高比刚度、耐腐蚀、耐高温等优异性能,广泛应用于航天航空、军工、汽车等领域。随着科技的飞速发展,人类对复合材料的性能提出了更高的要求。在提升复合材料性能的研究中,多尺度增强体成为近几年碳纤维增强复合材料领域研究的热点,但如何对碳纤维表面多尺度增强体结构进行可控调控以改善和提高复合材料的界面性能,目前该方面的深入研究还没有系统开展。在本文中,基于多尺度思想,设计与制备聚乙烯亚胺（PEI）/碳纤维增强体,碳纳米管（GO）/PEI/碳纤维多尺度增强体和氧化石墨烯（GO）/PEI/碳纤维多尺度增强体。通过改变PEI分子量、PEI/碳纤维与CNT-COOH的质量比以及PEI/碳纤维与GO的质量比,研究聚合物分子量、CNTs接枝密度和GO接枝形貌对碳纤维表面多尺度增强体结构及其环氧树脂复合材料界面性能的调控规律,并进一步分析与阐述三种增强体的界面增强机理。本文的主要研究内容如下:（1）通过化学接枝方法制备CF-PEI增强体。同时,为考察聚合物分子量对多尺度结构及其复合材料界面性能的影响规律,在碳纤维表面分别接枝分子量为600,1800和10000的PEI分子。结果表明,PEI接枝能够明显提高碳纤维在环氧树脂中的浸润性,实现碳纤维与环氧树脂的化学键连接,增强两相间的化学键合作用和机械啮合作用,最终提高了复合材料的界面性能和力学性能。接枝聚合物的分子量可以影响碳纤维的表面化学结构与微观形貌,进而调控复合材料的界面性能。随着PEI分子量的增加,分子链增长,空间位阻效应加剧,接枝到碳纤维表面的分子数减少,碳纤维表面引入的极性基团含量、表面粗糙度和表面能都明显降低,导致碳纤维的表面浸润性、两相间的化学键合作用和机械啮合作用减弱,复合材料界面性能降低。接枝PEI分子量为600时,CF-PEI复合材料的界面剪切强度和弯曲强度得到最大的提高,比未改性碳纤维分别增长38.9%和36.7%。因此可以通过调节接枝聚合物分子量实现对复合材料界面性能的调控。（2）采用改性效果最佳的PEI-600为媒介,通过化学接枝方法将具有优异性能的CNTs接枝到CF-PEI表面,制备CF-PEI-CNT多尺度增强体,同时首次通过改变CF-PEI和CNTs-COOH的质量比（1:1,2:1,4:1,8:1）,调控CNTs在碳纤维表面的接枝密度,研究CNTs接枝密度对碳纤维表面多尺度结构及其复合材料界面性能的调控规律。结果证明:CNTs接枝增加了碳纤维在树脂基体中的浸润性,氧化碳纳米管表面的羧基基团（-COOH）和羟基基团（-OH）能够与PEI结构中的氨基基团（-NH2）及环氧树脂中的环氧基团分别发生化学反应,在两相间形成化学键合作用;CNTs的特殊纳米结构使其在复合过程中能够像“铆钉”一样“嵌入”基体树脂内部,与之形成强烈的“铆合”作用,进而限制界面区域环氧树脂分子的自由运动;接枝的CNTs在两相间形成一个中度模量的过渡层,有利于外加载荷的有效传递和破坏能量的吸收。CNTs在碳纤维表面的接枝密度可以调控复合材料的界面性能,当CF-PEI与CNT-COOH的质量比为2:1时,CNTs能够实现与碳纤维表面呈不同角度的均匀高密度接枝,最大程度的增加碳纤维与基体树脂两相间的化学键合作用和机械“铆合”作用,提高复合材料的界面性能和弯曲性能,其IFSS、ILSS、弯曲强度比未改性碳纤维分别提高74.1%、80.1%和55.2%,比CF-PEI分别提高27.7%、30.2%和18.8%。（3）以PEI-600为偶联剂,采用化学接枝方法将具有特殊结构和性能的GO接枝到碳纤维表面,制备CF-PEI-GO多尺度增强体,并首次通过改变CF-PEI和GO的接枝质量比（10:1,20:1,40:1,60:1）,调控GO在碳纤维表面的接枝形貌,研究GO接枝形貌对碳纤维表面多尺度结构及其复合材料界面性能的调控规律。结果表明:GO表面的大量极性基团（-COOH、-OH）可以显著增强碳纤维在基体树脂中的浸润性,在两相间形成强烈的化学键合作用;具有片层结构的GO“直立”于碳纤维表面分布时,能够像“船锚”一样“锚定”基体,极大程度的增强碳纤维与树脂基体的机械“铆合”作用;片层结构的GO在两相界面处形成一个中等模量的界面层,能够均匀有效的传递外加载荷和分散应力,在界面破坏时消耗更多的能量。GO在碳纤维表面的接枝形貌能够调控碳纤维表面的多尺度结构及其复合材料的界面性能,当CF-PEI与GO的质量比为40:1时,大量适中尺寸的GO“直立”于碳纤维表面分布,极大增加了碳纤维的表面粗糙度,增强了其与基体树脂的“铆合”作用;同时,该种接枝方式能够增大碳纤维在基体树脂中的极性区域面积,使GO表面更多的极性基团参与化学反应,在两相间形成更强的化学键合作用。复合材料的界面性能和弯曲性能得到最大程度的提高,其IFSS、ILSS和弯曲强度比未改性碳纤维分别提高64.3%、76.4%和50.9%,比CF-PEI分别提高19.2%、27.4%和15.8%。