随着我国航空、航天、船舶、军工以及核工业的发展,复合材料的应用环境也日渐严苛。这些应用领域对复合材料的耐热性能、耐湿热性能、耐复杂化学环境的性能以及耐疲劳性能提出了更高的要求。聚醚醚酮作为一种耐热耐溶剂且机械性能优异的复合材料树脂基体,在严苛环境下拥有广泛的应用空间。一般情况下,连续纤维增强树脂基复合材料的界面相是复合材料的薄弱部分:在湿热或疲劳环境中复合材料的失效普遍起始于界面相;在承受垂直于纤维方向的载荷或剪切载荷时,界面相是影响其性能的决定性因素。对于聚醚醚酮树脂基体,其优异的耐热性和化学稳定性反而导致了其复合材料界面性能的下降:a.由于聚醚醚酮常温下不溶于任何有机溶剂,导致树脂基体只能在熔融状态下与增强纤维相互浸润,但聚醚醚酮过高的熔体粘度使得浸润效果较差,最终形成有缺陷的界面相。b.由于聚醚醚酮具有出色的化学稳定性,导致其在常规加工成型过程中无法与增强纤维表面形成化学键等强相互作用,使其界面性能较差。在过去的30年中,研究者们尝试通过改善工艺条件和对纤维进行处理来增强聚醚醚酮树脂基体复合材料的界面性能,但前者提升有限,因为不能从本质上解决界面脆弱的问题;后者虽然能通过氧化、等离子体或紫外辐照等手段有效的改变纤维表面的化学环境,从而提升复合材料的界面性能,但是普遍存在周期长,成本高和不能连续化生产等缺点,背离了实际应用的出发点。而上浆剂作为一种工业化生产过程中常用的界面改性手段,在增强复合材料的界面相同时,也保持工业化连续生产的能力,具有商业化价值,在当前的研究趋势中一骑绝尘。但是,既往的匹配聚醚醚酮树脂基使用的上浆剂要么舍弃了界面相的耐热性,要么舍弃了界面相的耐溶剂性,要么舍弃了界面相与聚醚醚酮的树脂基体的相容性,使得聚醚醚酮树脂基体出色的性能难以全部发挥。为了同时弥补上述不足,本论文开发了一系列基于结晶性聚醚醚酮自身的上浆剂,旨在将其性能和优势充分发挥。本论文通过溶液上浆的方法,改善了聚醚醚酮熔体粘度大所带来的浸润性差的问题;通过构建结晶性界面相,使得复合材料界面相兼具聚醚醚酮的耐热性和耐溶剂性,同时与树脂基体良好相容;通过在界面相中引入纳米填料,使得复合材料界面性能进一步提高;通过化学键将结晶性聚醚醚酮接枝于碳材料表面,进一步提升了复合材料在复杂化学环境下的服役能力。首先,以结晶性聚醚醚酮为原料,制备了可溶于有机溶剂的聚醚醚酮-1,3-二氧戊环,实现了溶液上浆。聚醚醚酮-1,3-二氧戊环在酸性条件下能迅速的水解回原料聚醚醚酮的分子结构,重获结晶性。利用这种性质最终获得了结晶性聚醚醚酮上浆的碳纤维。在此基础上,本论文研究了原料(上浆剂)分子量和上浆剂浓度对复合材料界面性能的影响,并最终获得了最佳的上浆剂配方。本论文通过差示扫描量热(DSC)和热失重(TGA)测试证明水解过程完全且水解产物具有和原料聚醚醚酮同样的结晶行为;电子显微镜(SEM)测试表明上浆均匀,该方法具有工业化连续生产的能力;通过微滴包埋试验对复合材料的界面剪切强度(IFSS)进行了测试,结晶性聚醚醚酮上浆碳纤维的IFSS相对未上浆纤维提升了91.46%,达到83.13MPa。超声-有机溶剂老化试验,湿热老化试验和有机溶剂-高温老化试验表明,该界面相继承了聚醚醚酮树脂基体优异的热稳定性和化学稳定性。然后,为了进一步加固复合材料的界面相,在上一部分研究的基础上开发了含有碳纳米管的的上浆剂。本论文研究了碳纳米管类型及含量对复合材料界面性能的影响,并得到了最佳配方。SEM测试表明,由于酸化碳纳米管在上浆剂中分散稳定,故上浆效果均匀。微滴包埋试验结果表明,由碳纳米管增强聚醚醚酮组成的界面相,其IFSS相比上一部分工作进一步提高了21.94%,相比未上浆碳纤维提高了133.46%,达到了101.37 MPa,是目前碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的最有效界面改性手段之一。但是,由于碳纳米管引入了大量、额外的界面相(碳纳米管-聚醚醚酮界面),这导致了界面相中加入了碳纳米管后,尽管复合材料产品在经受复杂化学环境老化后仍具有相对较高的IFSS,但性能保持率相对无碳纳米管体系显著下降,证明界面性能有进一步提升的空间。为了解决上述问题,本论文开发了一种将结晶性聚醚醚酮接枝于碳材料表面的方法。傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X-射线光电子能谱(XPS)测试表明接枝反应成功进行;DSC测试表明接枝于碳纳米管表面的聚醚醚酮具有结晶性。微滴包埋试验结果表明,由浸润增强-结晶-纳米增强-化学键接枝四种增强机理共同强化的复合材料界面相,其IFSS达到103.42MPa,是目前同类体系中的最高值之一(Web of science检索)。此外,接枝后的聚醚醚酮与碳材料表面间隙减小,有效的阻止了水或其他有机溶剂的侵蚀,尤其在承受NMP和煤油高温老化后,复合材料的IFSS性能损失分别降低了54.85%和55.31%,IFSS性能保持率恢复到接近无碳纳米管体系的水平。此外,该论文首次实现了将结晶性聚醚醚酮接枝到(graft to)碳材料表面的目标,为聚醚醚酮的相关研究提供了新的思路。综上所述,本论文以结晶性聚醚醚酮上浆剂为基础,通过改变上浆剂分子量、改变上浆剂浓度、改变碳纳米管类型、改变碳纳米管含量以及使用化学键接枝等方式,设计、开发并优化得到一系列碳纤维上浆剂。其中部分配方能满足工业化生产要求,具备潜在的商业价值。此外,本论文开发的将结晶性聚醚醚酮接枝到碳材料表面的方法,对聚醚醚酮的研究和应用领域具有一定的指导意义,有进一步研究的价值。