高性能碳纤维增强热塑性树脂基复合材料具有高损伤容限、可循环再生、制造成本低、减重效率高、易于维修和保养等特点在航空、航天、武器装备、能源、交通等国家重大战略发展各领域中发挥着至关重要的作用。碳纤维表面是石墨微晶结构,呈现光滑的形貌和惰性的化学性质,热塑性树脂分子结构中没有可交联的化学活性官能团,固化过程中不能发生化学反应,因此,碳纤维增强热塑性树脂基复合材料中增强体和基体之间的界面结合较弱。界面是复合材料独一无二的重要组成单元,影响应力在复合材料内部的传递和分布,以及复合材料中裂纹的产生和传播,对复合材料的强度、韧性、耐热等级和抗湿热老化性能均有重要影响。因此,必须采取合适的热塑性树脂基复合材料界面强化手段,提高碳纤维与热塑性树脂基体之间的界面化学结合和界面机械结合。本文以碳纤维增强杂萘联苯共聚芳醚砜(CF/PPBES6040和CF/PPBES8020)复合材料体系为研究对象,通过化学接枝的方法有针对性的在CF/PPBES复合材料体系中引入含苯胺、六氯环三磷腈-三聚氰胺共聚物(PPM)和石墨烯的三种界面相;通过溶液共混改性的方法向PPBES6040树脂基体中添加主链含氨基的杂萘联苯聚芳醚酮(PPEK-NH2s)相容剂,旨在解决碳纤维增强杂萘联苯共聚芳醚砜复合材料界面结合弱的难题。本文的主要研究内容如下:为了增加碳纤维与PPBES6040树脂之间的界面结合强度,本文通过改善纤维与基体之间的润湿,加强二者之间的化学作用,采用芳香重氮加成反应在碳纤维表面分别接枝苯胺、苯酚和苯硫酚。傅里叶红外光谱(FTIIR)、激光拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)以及热失重分析(TGA)证明了三种小分子通过化学键合作用接枝在碳纤维表面。以苯胺的接枝反应为例,明确了芳香重氮加成反应的接枝工艺。三种小分子的芳香重氮加成反应并没有给碳纤维的本体强度带来任何负面影响。此外,三种小分子修饰后提高了碳纤维的浸润性,使二者达到近程接触,三种分子中的氨基、羟基和巯基均能和PPBES6040树脂中的含氧、含氮官能团形成氢键,增强碳纤维与PPBES6040基体之间的界面化学结合。层间剪切强度(ILSS)和弯曲强度的研究结果表明苯胺的界面增强效果优于苯酚和苯硫酚,与未处理的碳纤维复合材料相比,提高18.6%和20.6%。动态热机械性能分析(DMA)研究表明,苯胺界面相使复合材料的玻璃化转变温度(Tg)提高7℃。通过对氨基苯酚与碳纤维的芳香重氮加成反应制备羟基修饰的碳纤维,以六氯环三磷腈、三聚氰胺为共聚单体,采用“一锅法”在羟基修饰碳纤维表面原位构筑氨基封端的PPM共聚物涂层。该涂层具有较高的氮原子和氨基密度,能改善碳纤维与PPBES6040基体之间的相容性,增加二者之间的氢键作用,加强复合材料的界面化学结合;PPM共聚物涂层修饰碳纤维独特的“鱼鳞”状形貌和较高的表面极性使纤维的表面粗糙度增大,基体对碳纤维的浸润程度增大,复合材料界面机械结合更加牢固;特别是PPM共聚物涂层与碳纤维之间通过化学键连接,增加二者之间的结合力,有效避免外力作用下PPM共聚物涂层从碳纤维表面剥离,提高PPM共聚物涂层的界面增强效率。氨基封端PPM涂层修饰碳纤维后,复合材料的ILSS值和弯曲强度分别提高22.9%和26.3%,Tg增加12 0C。以1,5-二氨基-4,8-二羟基-9,10-蒽二酮(DDT)为第三活性单体,二氮杂萘酮类双酚单体和4,4’-二氟二苯甲酮为共聚单体,通过“一步法”溶液共聚合制备一系列主链含氨基的杂萘联苯聚芳醚酮(PPEK-NH2s)相容剂。凝胶渗透色谱、差示扫描量热和TGA的表征结果证明PPEK-NH2s的分子量及其分布指数、Tg和热稳定性与PPBES6040树脂基体相当。系统的研究了 PPEK-NH2s分子中DDT结构单元含量对相容剂增容效率的影响,结果表明当相容剂分子中DDT结构单元的含量占双酚结构单元总数的4%时,即PPEK-NH2(4)相容剂的增容效果最佳;此外,还研究了 PPEK-NH2(4)添加量对复合材料ILSS值和弯曲强度的影响,当PPEK-NH2(4)的添加量为基体树脂的5 wt%时,CF/PPBES6040/PPEK-NH2(4)复合材料的力学强度最佳,ILSS值和弯曲强度分别提高13.7%和26.2%,Tg增加12℃。一方面,PPEK-NH2(4)中的氨基能和碳纤维表面的环氧官能团和羧基发生化学反应形成化学键;另一方面,PPEK-NH2(4)与PPBES6040树脂具有相似的化学结构,根据相似相容原则,二者具有良好的相容性,具有较强的物理作用。因此PPEK-NH2(4)分子通过化学键、物理缠绕作用将碳纤维与PPBES6040基体连接起来,提高复合材料的界面强度。通过化学修饰的办法,经四次衍生化反应制备含双芳基重氮甲烷结构的石墨烯衍生物(rGO-DMDP)。通过“上浆-热处理”工艺制备rGO-DMDP/CF多尺度增强体,rGO-DMDP中的双芳基重氮甲烷结构经热处理后转变为双芳基卡宾结构,卡宾基团可以通过加成反应接枝到碳纤维表面。以氧化石墨烯(GO)/CF多尺度增强体为例,讨论增强体中石墨烯含量对增强体本体强度和复合材料ILSS的影响,结果表明,当GO含量为0.5 wt%时,多尺度增强体单丝拉伸强度和复合材料ILSS值最大,此时,石墨烯恰好能完全裹覆碳纤维。Raman和XPS的表征结果证实了 rGO-DMDP与碳纤维之间的化学键合作用。将rGO-DMDP引入CF/PPBES8020复合材料界面相后,改善了基体与增强体之间的浸润程度,同时,增强体表面粗糙度的增加,有利于两相之间的界面机械结合,限制界面相中PPBES8020树脂分子的运动,在纤维与基体之间插入机械性能呈现梯度变化的界面相可以提高载荷在界面区的传递效率,促进应力在材料内部均匀分散。因此,rGO-DMDP/CFF/PPBE8020复合材材料的ILSS值和弯曲强度分别提高23.2%和34.4%,Tg增加13 ℃。