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碳纤维（CFs）增强环氧树脂（EP）基复合材料以轻质、高耐蚀性、高强度等性能被广泛应用于航天、汽车、建筑、船舶等领域。CFs与EP的物理与化学差异,导致CFs/EP界面应力不均匀,存在缺陷。为改善CFs/EP复合材料界面与力学性能,开展CFs表面改性研究具有重要意义。本文利用上浆剂接枝法、涂覆法对CFs表面进行氨基多壁碳纳米管（CNTs）改性、八氨丙基多面体低聚倍半硅氧烷（OA-POSS）改性、CNTs与OA-POSS复合改性,制备了CFs-CNTs、CFs-POSS、CFs-CNTs-POSS改性纤维及其复合材料,讨论了改性的工艺参数及对CFs表面和复合材料界面与力学性能的影响,研究表明:（1）CFs-CNTs纤维最佳超声工艺为40℃下,超声10-40 min;最佳终烧结工艺为1000℃下,烧结1-2 h。经X射线光电子能谱（XPS）分析表面改性主要是-NH2-CNTs与-COOH-CFs结合;扫描电镜发现CNTs在CFs表面成枝接形式,原子力显微镜验证改性前后CFs粗糙度分别为4.615μm、28.651μm;影响CFs改性前后表面自由能的主要因素为分子间的吸引力能量项σLW;线扫描分析CFs-CNTs界面附近的元素,证明CNTs深入到了树脂中。力学性能测试结果和断面扫描图表明,复合材料纤维拔出较少,拉伸、弯曲、剪切和冲击性能均获得一定程度的提高。（2）CFs-POSS的最佳超声工艺为60℃下,超声20-60 min,不进行终烧结。XPS验证改性过程为-NH2-（OA-POSS）与-COOH-CFs的酸碱键合,-NH2-（OA-POSS）与环氧基团的羟化反应。纤维表面有颗粒分布,改性前后CFs的粗糙度分别为:4.394μm,17.394μm,CFs-POSS表面能的影响因素分别是σLW。电子受体σ+与给体σ—的能量变化对CFs的表面能有一定的影响。经过力学测试与断面图分析可知,OA-POSS增强了复合材料的韧性与结合强度,性能得到明显改善。（3）CFs-CNTs-POSS的XPS验证此改性过程发生了上述（1）与（2）中描述的化学反应,表面在扫描电镜下相对比较平整,复合改性前后表面粗糙度Ra值分别为:4.355μm,8.893μm。影响碳纤维表面自由能的主要因素为σLW和σ—。复合材料的界面中Si与O交叉存在,证明其存在结构嵌合。从力学性能测试与断面扫描图得出,CF-1.0%CNTs-POSS/EP复合材料具有优异的拉伸和弯曲性能,较好的塑形与韧性。