碳纤维增强树脂基复合材料由于质轻、高强等优良特性在军用、航天及汽车领域获得大量应用。随着科技的不断进步与社会需求的持续增长,对碳纤维复合材料提出了更高的要求。众所周知,碳纤维表面官能团较少,化学性质不活泼且表面平滑,导致其与树脂难以实现良好浸润,复合材料界面性能下降,从而影响复合材料的整体性能。所以,复合材料的综合性能极大程度上取决于碳纤维与基体树脂间的界面结合强度。本文从碳纤维多组分增强体结构设计出发,以增强碳纤维复合材料界面性能为目标,利用金属粒子、纳米碳材料及MXene材料与碳纤维相结合,设计并制备了不同的多组分增强体。本文的主要研究内容如下:为了增强碳纤维与环氧树脂的界面粘结强度,在碳纤维表面通过两步电泳沉积法分别修饰金属铜粒子和碳纳米管,制备出碳纳米管/铜/碳纤维(CNT/Cu/CF)多组分增强体,在纤维与树脂间构建界面相,探索制备工艺参数如电流、时间、温度等对复合材料界面相结构的影响,确定最佳电泳沉积制备工艺条件。通过XRD表征了金属铜和碳纳米管的晶面结构,利用SEM表征了Cu/CF的表面及其环氧树脂复合材料的界面相结构,通过EDS扫描界面处元素的分布,证明界面相的形成。采用万能试验机对复合材料的界面性能进行了测试,复合材料的层间剪切强度提升了39.5%。同时,CNT/Cu/CF增强体还赋予了复合材料良好的导热性能,碳纳米管沉积40 min后复合材料的导热性能提升了292%。继续增大电泳沉积的时长,碳纳米管出现团聚现象,大量的堆积不利于应力和热量的有效传递,因此复合材料的层间剪切强度和热导率反而开始呈现下降的趋势。由于两步电沉积法实验时间长且操作过程繁琐,为了提高实验的效率,对电沉积两步法进行改性,采用一步法构建碳纳米管/铜/碳纤维(CNT/Cu/CF)多尺度结构,将铜粒子与碳纳米管同时沉积到碳纤维表面,起到增强界面强度的作用。通过将碳纳米管氨基化及羧基化,使其分别带有正电荷与负电荷,在电解液中与相同电荷的含铜离子稳定共存,从而实现一步法电沉积。增强体的SEM结果表明铜和碳纳米管均匀地修饰到了碳纤维表面,并实现同步沉积,两者间紧密相连,空隙明显减小。与两步法相比,这种紧密结构有利于进一步提高材料的导热导电性能与界面强度。测试结果表明,一步法电沉积制备的复合材料的热导率和电导率相比于两步法分别提高了17%及20.6%。与未改性的复合材料相比,CNT/Cu/CF增强环氧树脂基复合材料的层间剪切强度增强了34.5%。氧化石墨烯由于其具有杰出的力学性能和物理性能被广泛用于复合材料填料。目前在碳纤维表面修饰氧化石墨烯制备多组分增强体已被大量报道,但所采用的的方法例如化学接枝法容易对碳纤维力学性能造成损伤。本研究工作以不损伤纤维自身强度为前提,同时提高复合材料界面性能为目标,采用“π桥连”法制备氧化石墨烯/碳纤维(GO/CF)多组分增强体。FTIR、XPS及Raman光谱测试结果表明,通过“π桥连”法能够将氧化石墨烯均匀修饰到碳纤维表面。通过SEM、AFM表征增强体的表面形貌,证明氧化石墨烯显著增大了纤维的粗糙度与比表面积。通过动态接触角测试发现,纤维的表面能提高了55.2%,改善了纤维与树脂间的浸润性。用氧化石墨烯修饰后的碳纤维复合材料的层间剪切强度、界面剪切强度及横向拉伸强度分别提高了49.3%、59.1%、117.1%。氧化石墨烯的存在不仅可以增强纤维与树脂的机械啮合作用,还可以改善两者的化学相容性,同时改变界面处的裂纹传播方向,使得界面破坏形式由较弱的界面脱粘转变为内聚破坏。通过EDS对界面处的碳元素进行线扫描,证明了纤维与树脂间界面相的形成。同时通过控制桥连剂的摩尔浓度实现对界面粘结性能的调控。采用实验条件温和且过程简单的自组装法制备Mxene/壳聚糖/碳纤维(MXene/CS/CF)多组分增强体,在碳纤维与基体环氧树脂界面处构建“有机-无机”结构界面层,以增强复合材料的界面性能。使用FTIR、Raman光谱对增强体的表面化学结构进行表征,SEM与EDS观察了增强体的表面形貌和元素分布,证明了MXene和壳聚糖组装到碳纤维表面,并形成了均匀紧密的界面层。测试结果表明,复合材料的层间剪切强度和界面剪切强度分别增大了49.1%和52.1%。最后对“有机-无机”结构界面层的增强机理进行了分析和阐述。