经过多年努力,国产碳纤维获得了全面发展,以高强中模型碳纤维为例,国产碳纤维本征力学性能已经达到甚至超过国际同类产品水平。但是国产碳纤维在实际应用中遇到很多问题,特别是高强中模型碳纤维在复合材料性能转化率方面与国外产品存在较大差距。碳纤维表面结构与树脂形成的复合材料界面性能,是直接影响碳纤维性能转化的关键。碳纤维的表面结构可以分为物理结构和化学结构,两种结构与基体树脂间的相互作用是复合材料界面的基础。采用国产高强中模级湿法原丝和干湿法原丝,在同等氧化、碳化条件下,设计不同的表面处理条件可以获得不同表面结构的碳纤维。通过研究碳纤维的复丝力学性能、碳纤维表面物理和化学结构以及不同加工方式的复材试样力学性能,总结不同复合材料加工形式下碳纤维表面结构对性能转化率影响规律,有利于提高国产碳纤维综合性能、推动国产碳纤维复合材料的高效应用。通过对表面物理形貌不同的湿法碳纤维和干湿法碳纤维复丝性能评价,研究了表面处理工艺对于碳纤维复丝力学性能的影响。在相同氧化、碳化条件下,由于碳纤维浸润树脂性能的改善,随着表面处理电流密度的增加,碳纤维拉伸强度略有增加,同时其他指标:弹性模量、线密度基本不受表面处理电流密度的影响。由于干湿法原丝具有优异的微观结构,因而制备的干湿法碳纤维拉伸强度和断裂伸长率明显高于湿法碳纤维。当碳纤维束单纤维准直性差时会导致加工工艺性差,起毛量增加。通过SEM结合PS-matlab软件分析碳纤维表面物理结构,通过拉曼光谱和X射线光电子能谱对无浆碳纤维表面化学结构进行表征。SEM研究发现,湿法碳纤维表面具有沟槽,干湿法碳纤维表面光滑,随表面处理电流密度提高,湿法和干湿法碳纤维表面无明显变化。通过SEM结合PS-matlab软件获得表征碳纤维截面圆度的Rs和Rp值,随表面处理电流密度提升,碳纤维截面圆度略有好转,测算具有表面沟槽的碳纤维表面积比表面光滑的碳纤维表面积大约4%。采用Raman光谱评价碳纤维表面碳结构,发现表面形貌及电流密度对G峰出峰位置、半高宽影响不大,随着电流密度增加,氧化作用使碳纤维表面的石墨化程度减小。采用XPS研究碳纤维表面官能团结构发现,随表面处理电流密度的提高,三种碳含氧基团(-C-OH,-C=O,O=C-O)有明显上升趋势。由于具有表面沟槽的碳纤维比表面光滑的碳纤维具有更大的表面积,具有表面沟槽的碳纤维更容易在其表面引入活性基团。通过动态接触角测试仪分析碳纤维单纤维表面自由能、碳纤维束丝与树脂浸润角发现:随电流密度的提高,碳纤维表面活性官能团增加,具有沟槽表面或光滑表面的碳纤维表面自由能都呈增长趋势;碳纤维表面的沟槽形态使得同样电流密度下,碳纤维表面自由能更大。碳纤维束的浸润性与碳纤维表面结构密切相关,随表面自由能增加,碳纤维与树脂的浸润性能也提到提升。同时碳纤维单纤的准直性越好,有利于碳纤维束浸润性的提高。表面能是与表面物理结构和化学结构相关的物理量,本文采用表面自由能作为碳纤维表面结构的定量评估方式,能够兼顾碳纤维表面物理结构和化学结构,现阶段对碳纤维表面特征的评价更全面。在复合材料预浸料应用领域,碳纤维层间剪切强度随碳纤维表面结构的改善而提高。碳纤维复合材料0°拉伸强度的转化率可以通过调整碳纤维表面结构获得最佳值。在碳纤维表面自由能为31mJ/m2左右,国产湿法(具有沟槽表面)高强中模型碳纤维转化率可以到达最高值(约80%)。在碳纤维表面自由能为32mJ/m2左右,国产干湿法(具有光滑表面)高强中模型碳纤维转化率可以到达最高值(约73%)。在复合材料缠绕应用领域,碳纤维层间剪切强度随碳纤维表面结构的改善而提高。但碳纤维复合材料NOL强度转化率受碳纤维表面化学结构影响较小,受物理结构和NOL环样品中应力集中缺陷影响较大。干湿法碳纤维光滑的表面结构、高断裂伸长率使得NOL强度转化率比湿法高10%,干湿法碳纤维更有利于复合材料缠绕应用。从碳纤维单纤维集合成碳纤维束,再转化为碳纤维复合材料的过程中,针对不同的复合材料加工形式需求,对碳纤维表面结构进行优化,对提高复合材料性能转化率至关重要。采用干湿法纺丝工艺获得的具有光滑表面物理结构的高强中模型碳纤维,具有更好的复合材料加工工艺普适性。