碳/碳（C/C）复合材料具有耐高温、抗烧蚀、抗冲刷、高温力学性能极佳等独特性质,在航天、航空等高科技领域有着不可替代的地位与作用。常用的2D碳纤维预制体增强的C/C复合材料,由于层间、层内碳纤维及其束间、编织空隙等多部位碳基体未得到增强,破坏性裂纹可轻易避开层内碳纤维,直接在碳基体中传播,并贯穿至层间碳基体中,最终导致材料的低应力失效,严重影响了C/C复合材料的力学性能。将具有“纳米管径、微米管长”尺寸特点的碳纳米管（CNT）嫁接于碳纤维上,构建“多尺度CNT-纤维预制体”,可在不破坏纤维预制体叠层内部结构的前提下对缺乏碳纤维增强的碳基体进行有效补强,实现对复合材料宏观、细观以及纳观尺度上的混杂强韧化,可大幅度提升C/C复合材料的综合力学性能。然而,当前仍无法对CNT在碳纤维表面上的生长形性进行有效控制,导致对C/C复合材料的增强效果不佳。为实现CNT形性的有效控制和提高其对C/C复合材料的增强效果,本文分别采用注射浮动催化剂法和注射固定催化剂法在碳纤维上原位生长出弯曲CNT、定向CNT和辐射CNT。探究了三种CNT的形性控制、微观结构特征、生长机理以及生长过程中对碳纤维的损伤程度。在此基础上,系统研究了CNT的形性对C/C复合材料中热解碳（PyC）结构、纤维/基体（F/M）界面结合状态、微观缺陷及分布、力学性能和失效行为等的影响,得出的主要结论如下:（1）不同形性CNT的生长控制研究。采用注射浮动催化剂法,乙醇为碳源,二茂铁为催化剂前驱体,在碳纤维表面生长出了弯曲CNT,最佳生长温度为800°C,催化剂前驱体浓度为0.01 g/mL;通过对碳纤维进行表面处理,包覆Si O₂界面层,可有效改善CNT的生长定向性,实现CNT在碳纤维表面的单向垂直分布;采用注射固定催化剂法,以二甲苯为碳源,硫酸亚铁为催化剂前驱体,在碳纤维表面生长出了辐射CNT,最佳生长温度为850°C。在三种形性的CNT生长过程中,乙二胺的注入可更好地促进和保持Fe的催化活性,实现长径比大、纯净度高、管径分布均匀、空间分布形貌优良的CNT的稳定生长。对于注射浮动催化剂法,生长温度和催化剂前驱体浓度主要影响CNT产物的纯净度,催化剂浓度越大、生长温度越高越容易导致CNT表面小直径碳管的二次生长和催化剂颗粒的附着,使得CNT纯净度降低。对于注射固定催化剂法,生长温度主要影响CNT的管径,生长温度越高,CNT管径越大。通过调节生长时间可实现弯曲CNT、定向CNT和辐射CNT长度的控制:三种CNT伸长长度随生长时间的增速分别为0.1-0.25μm/min,0.5-0.65μm/min和0.03-0.06μm/min。注射浮动催化剂法只能在预制体外表面生长CNT,适用于制备多尺度CNT-碳布叠层预制体;注射固定催化剂法可在预制体内生长CNT,可用于制备多尺度CNT-碳毡预制体。（2）不同形性CNT的微观结构特征、生长机理及其对碳纤维损伤研究。注射浮动催化剂法生长的弯曲CNT和定向CNT均为多壁竹节状结构,管径处于10-70 nm范围内,具有很好的结晶性且随生长温度的升高而提高;而注射固定催化剂法得到的辐射CNT为多壁中空结构,管径粗大,处于100-300 nm范围内,具有较低的结晶性且随着生长温度的升高而降低。注射浮动催化剂法生长弯曲CNT和定向CNT过程中,催化剂一直扎根于纤维表面,属于“底端生长”;注射固定催化剂法生长辐射CNT过程中,催化剂处于碳管顶端,属于“顶端生长”。基于宏观力学的测试,生长时间越长和生长温度越高越易降低碳纤维的拉伸强度;表面包覆界面层可降低热损耗并阻止金属催化剂的刻蚀,大幅度提高纤维强度保持率。（3）不同形性CNT对C/C复合材料中碳基体组织结构和F/M界面的影响研究。引入CNT后,C/C复合材料中的碳基体由单一结构变为两层结构,即CNT长度范围内的CNT/PyC层和CNT长度范围外的纯PyC层。两层结构在PLM和SEM下呈现截然不同的形貌:CNT/PyC层在PLM下呈现各向同性,外围PyC层光学活性与纯C/C复合材料中的碳基体接近,但具有更小的尺寸和晶界;CNT/PyC层在SEM下表现粗糙,外围PyC层光滑类似于纯C/C复合材料中的碳基体,但晶界相互锁和,织构扭曲且无环形裂纹。因此,CNT对碳基体的强化机制分为直接增强和间接增强:直接增强为CNT深入纤维周围碳基体作为连续增强相直接增强碳基体;间接增强为CNT诱导外围PyC密集形核,通过“细晶效应”形成锁和晶界,并减少环状裂纹等微缺陷,从而改善外围碳基体的结构和力学性能。CNT的取向性越好,长度越长对碳基体提供的直接增强和间接增强越加显著。弯曲CNT和定向CNT三维网络结构内的孔隙尺寸小,不易被完全填充,形成的CNT/PyC层为多孔结构,含有大量纳米/亚微米封闭孔洞;辐射CNT在远离碳纤维表面的方向上孔隙尺寸渐大的特点,使得其三维结构易被充分致密化,形成的CNT/PyC层为致密结构。因此,为提高CNT-C/C复合材料的致密化效果,保证CNT优良的取向和较为稀疏的分布是必要的。XRD和Raman分析表明:三种形性的CNT均可有效改善其长度范围内PyC的石墨化度,提高L_a,减小d₀₀₂以及增大L_c,改善幅度取决于CNT自身结晶性,这种改善效果仍能波及其周围⁵00 nm以内的PyC,而对远离CNT的PyC,仅能改变其微观尺寸和织构取向,无法改变其内部晶态结构。不同形性CNT的直接嫁接均可产生“过强”的F/M界面结合,而引入PyC界面层可在一定程度上弱化碳纤维与CNT/PyC层间的结合强度,起到界面优化的作用。（4）CNT的引入有效提高了C/C复合材料的层间剪切性能和压缩性能,即基体主宰力学性能。对于碳布叠层C/C复合材料,层间剪切强度提高幅度超过120%,面内和面外压缩强度提高幅度分别超过270%和60%;对于碳毡C/C复合材料,面内和面外压缩强度提高幅度分别超过80%和50%。SEM显示:当嫁接的CNT取向性差、长度较小时,对外围PyC的细化程度不足,破坏性裂纹仍可以依赖外围PyC层中的长直晶界和环形裂纹进行扩展,造成复合材料的分层破坏;当嫁接的CNT取向性好,长度较长时,其加强的直接和间接增强以及侧向力学支持赋予了层间碳基体足够强的抑制和偏转裂纹的能力,因此更大幅度提高复合材料的基体主宰力学性能。（5）CNT和PyC界面层的同时引入有效增强了C/C复合材料的弯曲性能,即纤维主宰力学性能。嫁接大长度CNT更好增强碳基体的同时,也意味着碳纤维在CNT生长系统中暴露时间越长,表面结构损伤越严重;并且直接的嫁接产生的强F/M界面结合,也不利于裂纹在界面处的偏转,造成碳纤维被破坏性裂纹直接击穿,导致复合材料脆性断裂和低的弯曲强度。引入PyC界面层不仅对碳纤维结构进行了有效保护,而且还优化了F/M界面结合,利于破坏性裂纹沿纤维轴向方向扩展,促进了碳纤维的拔出,显著改善了C/C复合材料的弯曲强度和断裂韧性。因此,为充分发挥CNT与碳纤维的协同强韧机制,增强碳基体的同时对F/M界面进行优化是必要的。（6）受CNT有效增强PyC并建立界面机械锁和效应的启发,将辐射CNT/PyC作为连接层引入到C/C复合材料之间,显示出了优异的连接性能。剪切试验显示,辐射CNT的引入将PyC连接C/C复合材料的剪切强度从9.4 MPa提升至19.2 MPa,提高幅度达104%。这得益于辐射CNT不仅强化了连接层与C/C基体间的界面结合强度,而且诱导PyC织构沿垂直于C/C基体表面取向,与此同时还增加额外的断裂过程,将C/C接头的失效模式从PyC连接层断裂失效转变为C/C基体断裂失效,大幅度提高了C/C接头的抗剪切能力。