航空航天領域對復合材料輕量化、高強度、高可靠性的需求，推動環氧樹脂基碳纖維預浸料技術向多尺度結構設計與界面增強方向突破。本文從碳纖維表面改性、納米增強體調控、樹脂基體增韌及成型工藝優化等維度，系統闡述界面增強機制與多尺度協同作用，結合航空級預浸料制備案例，提出基于分子動力學模擬與工藝參數耦合優化的技術路徑，為新一代航空復合材料開發提供理論支撐。

碳纖維表面多尺度改性技術

1. 化學接枝與氧化處理

氧化法：通過氣相氧化（如氟/氧混合氣處理）或液相氧化（濃硝酸溶液浸泡）在碳纖維表面引入羧基、羥基等活性基團，提高潤濕性。

化學接枝：采用氨基封端萘二酰亞胺（NDI）或聚乙烯亞胺（PEI）等分子接枝，實現碳纖維與環氧樹脂的化學鍵連接。例如，接枝分子量為600的PEI可使界面剪切強度提升38.9%，彎曲強度提升36.7%。

2. 納米增強體復合改性

碳納米管（CNTs）接枝：CNTs通過π-π堆積和羧基-氨基反應錨定于碳纖維表面，形成“鉚釘”狀結構，顯著增強機械鎖合作用。當CF-PEI與CNT-COOH質量比為2:1時，界面剪切強度（IFSS）提升74.1%，彎曲強度提升55.2%。

氧化石墨烯（GO）錨定：GO片層以“直立”形態分布于碳纖維表面，形成中等模量界面層，有效傳遞載荷并分散應力。當CF-PEI與GO質量比為40:1時，界面性能最優，GO片層間距可控至納米級。

3. 晶須化與納米纖維界面相

氯化芳綸納米纖維（Cl-ANF）涂層：通過浸涂工藝在等離子體處理后的碳纖維表面形成致密納米纖維網絡，利用范德華力、氫鍵及π-π堆積增強界面結合。實驗表明，Cl-ANF界面相使IFSS提升79.8%，短梁剪切強度（SBS）提升33.7%，且不損傷纖維拉伸強度。

環氧樹脂基體增韌與流變調控

1. 反應型互穿網絡增韌

采用核殼橡膠粒子或熱塑性樹脂與環氧樹脂共混，形成交聯互穿網絡結構。例如，增韌劑含量為10%時，復合材料沖擊后壓縮強度（CAI）達330 MPa，斷裂韌性提升40%，玻璃化轉變溫度（Tg）僅下降6℃。

2. 流變性能優化

通過活性稀釋劑（如丁基縮水甘油醚）降低樹脂黏度，改善纖維浸漬效果。例如，將黏度從5000 mPa·s降至1500 mPa·s，可顯著減少預浸料孔隙率。

多尺度成型工藝協同優化

1. 界面調控與熔融浸漬協同

增容劑法：利用增容劑促進碳纖維與熱塑性樹脂的相容性，例如，通過添加增容劑使界面剪切強度提升顯著。

結晶行為調控：在碳纖維表面誘導形成橫晶結構，增強界面黏結。例如，通過控制溫度和時間，使橫晶層厚度增加，界面強度提升。

2. 航空級預浸料制備案例

T800碳纖維/環氧樹脂體系：纖維面密度120 g/m²，樹脂含量38%，拉伸強度2800 MPa，適用于機翼蒙皮。

東麗T1100G/3960樹脂體系：拉伸強度6.3 GPa，模量310 GPa，應用于空客A350機身。

界面增強機制與表征技術

1. 多尺度界面模型

機械互鎖理論：通過表面粗糙度設計增強纖維與樹脂的機械嵌合。

化學鍵理論：利用接枝官能團與樹脂基體形成共價鍵。

過渡層理論：在纖維與樹脂間引入中等模量界面層，緩解應力集中。

2. 微觀表征技術

X射線光電子能譜（XPS）：分析表面化學組成。

掃描電子顯微鏡（SEM）：觀察界面形貌與失效模式。

原子力顯微鏡（AFM）：測量表面粗糙度與彈性模量梯度。

結論與展望

面向航空航天裝備的環氧樹脂基碳纖維預浸料技術，需通過多尺度改性、基體增韌與工藝協同優化，實現界面性能與整體力學性能的同步提升。未來研究方向包括：

生物基增容劑開發：利用可再生資源替代傳統增容劑，降低環境影響。

數字孿生技術：通過工藝模擬優化預浸料孔隙率與纖維分布均勻性。

自修復界面設計：引入動態共價鍵或超分子相互作用，賦予復合材料損傷自修復能力。

通過多學科交叉與技術創新，環氧樹脂基碳纖維預浸料將在航空發動機葉片、深空探測器結構件等極端工況領域發揮更大潛力，推動航空航天裝備向更輕、更強、更智能的方向發展。