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基于国产CCF300碳纤维的综合性能与进口T300碳纤维的综合性能相比较差这一事实,本论文使用酚醛树脂对CCF300进行炭化改性。首先采用第一性原理计算了PF/CF界面层行为,分析了界面层的差分电荷密度等高面、不同切片处的差分电荷密度以及化学键的布局数,然后对炭化改性后的碳纤维与脱浆前后的CCF300和T300碳纤维的表面物化性能及力学性能作了对比。在国产碳纤维表面涂覆一层酚醛树脂,然后在惰性气体的保护下进行高温炭化,考察了酚醛树脂的浓度、炭化温度对碳纤维表面状态及力学性能的影响。通过对PF/CF界面层的第一性原理计算,发现界面层中的差分电荷密度等高面受官能团影响较大,尤其是-COOH,该处的差分电荷密度等高面畸变较为严重,电子云相互重叠,表明在PF炭化层和碳纤维表层之间形成相互作用较强的共价键。对不同截面处的切片进行差分电荷密度分析,发现界面层中存在官能团的地方,差分电荷密度对比较为明显,即发生明显的电子得失。官能团不仅影响差分电荷密度,而且还影响界面层中C原子的排列,使C原子发生一定程度的偏移,造成六方结构的破坏。对界面层化学键的布局数进行分析,发现受-COOH影响,在PF炭化层与碳纤维表层之间形成了结合较强的共价键,这从理论上直接证明了PF/CF界面层中存在较强的共价键。因此,通过炭化酚醛树脂,可以在碳纤维表面附着一层与碳纤维表层结合牢固的炭化层,并形成稳定的界面。对碳纤维进行表面涂覆PF炭化改性,发现随着PF浓度的减小,PF的包覆量减小,发现PF最佳的浓度为1:70,此时PF的包覆量与原丝的上浆剂含量相近,包覆层完整且厚度适宜。随着PF炭化温度的提高,碳纤维单丝的本体拉伸强度降低,较适宜的炭化温度为700℃。在700℃下高温炭化浓度为1:70的PF改性碳纤维,发现在碳纤维表面附着了一层较为均匀且完整的多孔炭结构,正是由于这些多孔炭结构的存在,大大增加了碳纤维的粗糙度和比表面积。粗糙度高达107.4%,相比CCF300和T300的表面粗糙度分别提高了218.7%和234.6%,表面能为43.67m J·m-2,比CCF300和T300分别提高13.7%、8.3%。通过XPS分析,发现O/C和官能团含量分别比CCF300提高7.6%、1.2%。通过复合材料界面评价装置表征界面剪切强度,发现在最佳工艺条件下,PF炭化改性的碳纤维的IFSS为105.8MPa,比CCF300和T300分别提高了12.7%、11.1%。