聚丙烯腈基碳纤维因其轻质、高比强度、高比模量等优异的性能被作为重要的增强体材料受到越来越多的关注。由于聚丙烯腈基碳纤维的制备经过高温碳化甚至石墨化的过程,随着非碳元素逸出,碳元素富集,使得碳纤维的含碳量在90%以上,表面呈现惰性。这样的碳纤维在与其他基体尤其是树脂复合的时候界面结合力弱,导致整个复合材料性能差,因此,对碳纤维表面进行改性处理非常有必要。碳纤维的表面改性方法有很多,主要目的都是增加碳纤维表面活性官能团以及表面粗糙度,进而改善纤维与基体树脂的界面结合。目前,应用最广泛且最实用的连续在线表面处理方法当属阳极氧化法,其基本原理是将碳纤维当作阳极在电解质水溶液中进行电解,生成的活性氧可将碳纤维表面氧化。在碳纤维的阳极氧化表面处理实验中,电解质的主要作用是提高水的导电性能及电解效率。然而研究发现,不同电解液对碳纤维的表面结构及其与复合材料的界面性能产生很大影响,但是,缺乏合理的解释。另外,碳纤维丝束上的电位分布与氧化效能问题尚未见报道。不同的研究中给出的电压、电流工艺条件均是一个平均值,而实际的阳极氧化实验中由于碳纤维电阻较大,不同的实验装置下电位、电流沿纤维束的分布不同,这势必可能造成同样的工艺条件不同的氧化结果,因此,造成前人的研究成果参考性较差。基于这些问题,本文首先通过计算模拟研究了阳极氧化实验的装置参数对实验过程中电位、电流沿纤维束方向衰减,不同部分功率消耗以及效率的影响,为碳纤维阳极氧化表面处理的进一步研究以及优化实验装置提供了理论指导。在此基础上,在相同的阳极氧化实验装置中一系列相同的工艺条件下,分别采用硫酸、氢氧化钠和碳酸氢铵作为电解质,进一步研究碳纤维在不同性质电解液中阳极氧化之后对碳纤维表、界面结构性能的影响和机理。具体研究内容与结果如下:(1)通过对碳纤维的阳极氧化实验建立模型,模拟计算不同装置参数(主要是处理纤维长度和阴阳极之间距离)下的电位、电流沿纤维束方向衰减,不同部分功率消耗以及效率。结果表明,阳极氧化实验中,电位和电流沿着碳纤维的方向指数衰减。不同部分的功率消耗中碳纤维电阻消耗的最大,不同装置参数下至少占总消耗的50%。在给定一个实验电压的条件下,处理纤维长度越长,电位、电流沿纤维束方向衰减越快,消耗的无用功越多。通常认为阳极氧化实验装置中阴阳极之间距离越近越好,然而,当纤维处理长度确定时,如1.00m,当阴阳极之间距离太近,小于0.01 m的时候,电位沿纤维束方向衰减很快且碳纤维电阻消耗功率极大,导致效率低下,当阴阳极之间距离为0.01 m时,效率仅为7%。通过上述计算分析,本文给出了设计实验装置时处理纤维长度以及阴阳极之间距离的较佳范围。(2)在同一实验装置中,分别在不同电解液里对碳纤维进行阳极氧化表面改性处理,并对处理前后的碳纤维表、界面等进行分析。结果表明,碳纤维在硫酸电解液中阳极氧化表面处理之后表面酸性基团最丰富,其最优值是其他电解液中最优值的2倍以上,但是与环氧树脂的界面结合强度却相对不高,此条件下碳纤维与树脂间的最大层间剪切强度值仅为60 MPa,较处理前提高14%。在氢氧化钠电解液中阳极氧化表面处理之后再酸洗处理的碳纤维尽管表面酸性基团量相对较低,但与环氧树脂的界面结合强度却相对较高,此条件下碳纤维与树脂间的最大层间剪切强度值为69 MPa。我们认为这一现象与碳纤维与树脂基体之间存在弱层导致界面结合性能下降有关,但是此弱层不是碳纤维阳极氧化处理后产生于纤维表面的,而是制备碳纤维的碳化过程中纤维表面形成的原始覆盖的平行于表面的石墨片层,这些石墨片层与碳纤维基体结合相对较弱。当碳纤维在氢氧化钠电解液中阳极氧化表面处理的时候,这些石墨片层可以被有效剥离,而在硫酸电解液中不能被剥离。当这些原始覆盖在碳纤维表面的石墨片层被有效移除之后,含氧官能团将会长在裸露于纤维表面嵌入式石墨片层的边缘位置。因此,对于一个好的碳纤维与树脂界面结合来说,比起纤维表面生成更多的含氧官能团而言,官能团的生长位置牢固更重要。此外,本文尝试了将碳纤维先在氢氧化钠电解液中阳极氧化剥离表面弱层,再在硫酸电解液中阳极氧化生成更多酸性基团的两步法处理碳纤维,期望能更好的提高碳纤维与环氧树脂界面性能,然而,复合材料层间剪切强度并没有如预期的增加,但是结果证明了碳纤维在硫酸电解液中阳极氧化不会产生弱层。(3)基于碳纤维在氢氧化钠电解液中阳极氧化表面处理之后与环氧树脂的界面结合力最优源于纤维表面弱层被有效剥离,本文重点研究了碳纤维在氢氧化钠电解液中阳极氧化的表面剥离机理。分别用原子力显微镜、X射线光电子能谱仪和激光拉曼光谱仪表征了经过不同阳极氧化表面处理后的碳纤维的表面微观结构,用紫外分光光度仪、扫描电子显微镜和透射电子显微镜表征了经过阳极氧化之后溶于氢氧化钠电解液中的从纤维表面剥离的碎片。本文还利用碳纤维在不同溶液中的充放电行为证明了在氢氧化钠电解液中阳极氧化表面处理碳纤维,纤维表面发生石墨片层剥离是以氢氧根插层到纤维表面石墨片层间的形式发生的。研究发现,碳纤维在氢氧化钠电解液中阳极氧化表面处理的时候,剥离反应同时发生在纤维表面的晶区和非晶区;而碳纤维在硫酸电解液中阳极氧化表面处理的时候,纤维表面仅存在氧化刻蚀,而且优先发生在无序碳结构。这一不同现象是由氢氧根离子与硫酸根离子的离子结构和尺寸不同导致的。氢氧根离子是线性结构,尺寸相对碳纤维石墨层间距小,使得氢氧根离子可以进入到碳纤维表面石墨层间;而硫酸根离子是四面体结构,尺寸相对较大,使得硫酸根离子只能在碳纤维表面反应或者无序区一些比较松散的区域反应。希望本文的研究为碳纤维阳极氧化表面处理的实验装置优化以及更好的应用提供理论基础。