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碳纤维增强树脂基复合材料具有优异的比强度和比刚度等一系列优势，广泛应用于航空航天、能源、汽车工业等领域。然而，碳纤维表面光滑、惰性大、化学官能团少，导致纤维与树脂基体间的界面粘结较弱，界面相往往成为复合材料的薄弱环节，严重影响了碳纤维增强树脂基复合材料的综合性能。此外，常规的环氧类上浆剂，不耐高温，界面层在高温下容易发生分解失效，使界面粘结作用被破坏，限制了材料在高温领域的使用。因此，非常有必要通过界面优化设计，提高碳纤维树脂基复合材料的界面性能，从而大幅提高材料的整体性能，对促进碳纤维复合材料规模化应用具有重要意义。 六氯环三磷腈(Hexachlorocyclophosphazene，HCCP)是以氮磷原子单双键交替键接的一类有机/无机杂环材料，拥有6个活泼的P-Cl侧基，可以通过简单的亲核取代反应，引入各种基团，方便调控磷腈类材料物理化学性能。HCCP还可以与双官能团化合物通过交联缩聚，制备出一系列表面具有丰富活性基团的聚磷腈交联膜、微球、纳米管等材料。这些独特的性能使得磷腈类材料有望用于对碳纤维的表面改性。可通过化学修饰，在碳纤维表面引入丰富的活性基团，改善碳纤维表面化学活性;同时，磷腈类材料具有良好的热稳定性与阻燃性，因而，可以为碳纤维与树脂基体之间提供一个热稳定的界面层，提高材料的耐热性能，拓宽材料服役环境。另外，还可以引入聚磷腈微纳米粒子，制备多尺度杂化碳纤维，从微纳尺度上设计、调控界面相的微观结构与性能，进而通过机械啮合、化学键合、过渡层应力分散等协同作用改善复合材料界面强度。 本文采用磷腈及环簇聚磷腈对碳纤维的表界面进行优化设计，旨在提高碳纤维/环氧复合材料的界面性能，主要包含4个方面的研究内容，总结如下: 1.以HCCP为偶联剂，通过亲核取代反应，分别与碳纤维表面的活性羟基(-OH)以及4，4-二氨基二苯醚(4，4-oxydianiline，ODA)的活性氨基通过亲核取代反应，从而将ODA接枝到碳纤维表面，引入大量的活性氨基，这些活性氨基提高了碳纤维的表面能与化学活性，从而提高碳纤维与环氧树脂的界面粘结强度。接枝ODA以后，碳纤维/环氧复合材料的界面剪切强度(IFSS)从47.5 MPa提高到81.3 MPa提高了71.2％。此外，这种化学接枝方法条件温和，并未对碳纤维的拉伸强度造成明显损伤。 2.以六氯三磷腈(HCCP)与4，4-二氨基二苯醚(ODA)为单体，通过原位交联聚合，在碳纤维表面引入一层富含活性氨基的环簇交联聚磷腈层，从而在纤维表面引入高含量和高活性的氨基。通过改变聚合反应的时间，调控碳纤维表面聚磷腈层的厚度和活性氨基的浓度。这些活性氨基可与环氧树脂基体形成化学键合，显著改善了碳纤维/环氧复合材料的界面性能。当聚合改性反应时间为5h时，碳纤维表面拥有最佳的界面状态，IFSS从47.5 MPa提高到82.4 MPa，增幅高达73.5％。而且，纤维表面包覆的交联聚磷腈层可以修复纤维表面缺陷，拉伸强度亦提高超过10％。 3.以六氯三磷腈(HCCP)与4，4-二氨基二苯醚(ODA)为单体，通过原位交联聚合，在碳纤维表面引入一层热氧稳定的聚（环三磷腈-co-4，4-二氨基二苯醚）。在空气条件下，碳纤维表面的环簇聚磷腈修饰层，在400℃左右才开始发生分解。高温下的界面性能优于商业环氧上浆剂。商业环氧上浆剂涂敷的T700碳纤维增强的树脂基复合材料，270℃处理2h，IFSS降幅达11.1％;而在同样的条件下，聚磷腈改性的碳纤维增强的环氧树脂基复合材料，IFSS非但没有下降，反而从104.4 MPa上升至110.9 MPa，增幅达6.2％。 4.以六氯环三磷腈(HCCP)与4，4-二羟基二苯砜(BPS)为单体，采用原位沉淀聚合的方法，在碳纤维表面引入聚（环三磷腈-co-4，4-二羟基二苯砜）微球，制得了多尺度杂化的PZSball/CF纤维;以HCCP与BPS为共聚单体，采用原位模板聚合的方法，在碳纤维表面引入聚（环三磷腈-co-4，4-二羟基二苯砜）纳米管，制得了多尺度杂化的PZSNT/CF纤维。聚磷腈微球及纳米管的引入，显著提高了碳纤维的表面粗糙度、化学活性、比表面能以及单丝拉伸强度。其中，PZSNT/CF杂化碳纤维表面平均粗糙度提高了600％;表面能提高了55.6％，拉伸强度提高10％左右。这种多尺度杂化的碳纤维在先进复合材料以及先进功能材料方面具有广阔的应用空间。