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下一代空天飞行器的研制对C/C复合材料的性能提出了更高的要求。合理的界面改性是提高C/C复合材料力学性能的关键。根据尺度的不同,影响C/C复合材料力学性能的界面主要有以下三类:微观尺度的热解碳基体内部界面、细观尺度的纤维-基体界面和介观尺度的纤维布铺层界面。已有工作主要关注于单一尺度的界面改性,性能提升效果并不明显。针对这一问题,本论文提出跨尺度界面改性的思路:首先系统分析了不同受力状态下C/C复合材料的细观-介观尺度界面失效行为;在此基础上,通过热解碳微观组织调控和纳米掺杂对C/C复合材料不同尺度的界面进行改性,探究了跨尺度界面改性对C/C复合材料性能的影响;同时,研究了界面改性C/C复合材料的循环加载失效行为,揭示了C/C复合材料的疲劳强化机制。主要研究内容和结果如下:研究了不同预制体结构C/C复合材料的失效行为。结果表明,在拉伸载荷作用下,C/C复合材料内部应力呈现局域化的特征,断面观察到大量的断裂子纤维束。这是局域化应力传递模式和热解碳基体石墨烯层间结合较弱（内聚性差）的结果。当主应力与纤维轴向偏角过大或者垂直时,C/C复合材料的失效以基体界面的开裂为主。在细观尺度纤维-基体界面尺度下,研究了不同织构热解碳基体和界面相对C/C复合材料界面力学行为的影响。结果表明,低织构热解碳内聚性好,其破坏过程对加载速率的敏感性低;高织构热解碳各向异性程度高,石墨微晶层间结合弱,因而应力在高织构基体内的传递具有时序滞后性。在介观尺度层间界面尺度下,将预制低织构热解碳层和高织构热解碳层的碳纤维布混合铺层,在层间形成有效的残余热应力差。结果表明,合理的层间应力设计可以有效改变层间开裂裂纹尖端的应力场,从而诱导层间裂纹的偏转和分叉现象。与C/C相比,混合铺层C/C复合材料的Weibull平均强度提高了～66%,其Weibull模量从4.9提高至8.3,显著改善了C/C复合材料的可靠性。在纤维表面原位生长SiC纳米线,同时改善了细观尺度的纤维-基体界面结合和介观尺度的层间结合,显著提高了C/C复合材料的抗剪切性能,但这种方法造成了复合材料弯曲强度的显著降低;在纤维表面预制热解碳界面层可以有效调节纤维-基体界面的结合,起到同时增强复合材料的抗剪切和抗弯曲能力的效果。研究了不同织构热解碳基体与纳米增强体之间的协同性。结果表明,低织构基体与纤维的结合强度过强且呈现脆性断裂的特征,因而它与纳米增强体的协同性较差;纳米增强体与高织构热解碳基体具有更好的协同强化作用,纳米增强体的引入可以显著改善高织构热解碳与基体结合强度低和自身内聚力差的缺点,CNT引入后高织构热解碳C/C复合材料的弯曲强度提升了～90%。研究了纳米增强体种类对基体微观组织诱导效应和强韧化效果的差异。结果表明,电泳沉积CNT可以诱导形成各向异性程度很低的界面相;SiC纳米线的引入会诱导生成典型的SiC纳米线-热解碳同轴结构,并且会显著提高热解碳的面内和堆垛微晶尺寸。CNT的引入直接提高了纤维-基体界面的结合强度和z向导热,并且间接诱导了后续沉积的热解碳基体内部的突起结构,消除了由于基体各向异性造成的应力集中,有效抑制了局部热损伤和基体剥蚀,与未改性C/C复合材料相比,CNT-C/C复合材料的质量烧蚀率降低了～64%。对比之下,SiC纳米线有效地强化了热解碳基体,但是对纤维-基体界面的改善并不明显。同时,SiC纳米线的引入在C/C复合材料内部诱导形成了大量的微型电流回路,改善了热解碳自身的连通性,利用这一特性,C/C复合材料在X波段的电磁屏蔽效能从35.6 dB提高至60.5 dB。研究了在循环加载条件下平纹编织叠层CNT-C/C和SiCNW-C/C复合材料的疲劳行为。循环加载主要造成了复合材料内部微裂纹的产生。研究明确了不同形式的微裂纹对C/C复合材料宏观力学性能的影响,0°纤维层基体中微裂纹能够有效偏转铺层分层破坏主裂纹,有效降低主裂纹尖端强度因子,提高材料的损伤容限,也是造成疲劳强化的主要原因。而90°纤维层内的损伤累积是剩余强度下降的主导因素,它显著降低了90°纤维层的承载能力,促进了主裂纹的产生。研究了热解碳基体内部疲劳微裂纹的扩展行为,结果表明,热解碳基体内的微裂纹的生长具有自抑制行为,裂纹的生长速度会随着循环加载周次的增加而逐渐减缓或者停止。这种行为主要是由于热解碳内部存在局部乱层结构,由于热解碳片层之间结合较弱,裂纹扩展过程中会出现大量的裂纹尖端分叉,显著地降低了裂纹尖端的强度因子。