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碳纳米管(CNT)增强复合材料研究的日臻成熟，为实现新一代航空航天材料“重量更轻、结构更强、成本更低”的目标奠定了良好基础。相比纤维增强复合材料而言，CNT高强度、低密度特性，为轻质高强材料的实现提供了有力保障。此外，结构-功能一体化设计，不啻为大幅降低制件整体重量、推进器件轻量化的有效途径。本论文中，按照结构-功能一体材料的构架，对CNT增强复合材料的重点领域进行了研究，并探索了CNT在高性能复合材料方面的发展潜力。 利用不同表面改性状态的CNT对双马来酰亚胺(BMI)树脂进行了共混改性，并通过固化行为、力学性能、热性能等表征证实了只有赋予CNT/BMI体系良好分散、强界面作用、合适界面相容性，方能在维持体系热性能前提下，大幅提升树脂力学性能。 基于理想CNT增强复合材料结构模型，开展了高强度复合材料的制备。通过CNT原始聚集形式、树脂组成与含量、牵伸取向工艺等方面的优选与优化，有效的对复合材料中CNT的聚集态形貌进行了调控，实现了近似理想CNT复合材料的制备;材料稳定表现出＞6 GPa的拉伸强度。 将高强CNT/BMI复合材料制备工艺移植至CNT/C复合材料体系，并添加多轮次致密化、石墨化等工艺，得到了具有多级取向结构的CNT/C复合材料。其中，CNT/酚醛及CNT/沥青体系均实现了CNT的有效取向;而石墨化基体碳的取向仅见于CNT/沥青体系。根据基体石墨化机理的分析，沥青分子与CNT之间的π-π耦合作用，有利于应力诱导石墨化的发生，从而形成了独特的多级取向特性。 通过有序前驱体沉积、陶瓷化工艺，对CNT进行了氮化铝包覆。陶瓷层厚度可在1-2 nm范围内调节，而仍旧保持其无缺陷特性。热失重分析表明，经过陶瓷包覆，CNT的抗氧化能力得到大幅提升。最后，通过对比实验方式验证了该包覆机理。