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由于其优异的力学、电学、热学等特性，碳纳米管（简称碳管）受到广泛的关注。近年来，碳管粉末已量化生产，如何在宏观尺度上充分发挥碳管的优良性能，并使其大量应用，是科研人员及产业界普遍关注的问题。本论文中以量化生产的碳纳米管粉末为原料，通过溶液真空抽滤的方法制备了较大尺寸的碳纳米管薄膜;在对其微观结构和力学性能表征的基础上，采用热塑性弹性体粘结和表面修饰相结合的方式，改善了薄膜的综合力学性能，特别是韧性;将碳纳米管薄膜用于增强环氧树脂的耐磨性能，并系统研究了复合薄膜的摩擦磨损机理;基于碳纳米管薄膜优异的导电性能，初步探索了其在飞机用碳纤维复合材料闪电防护中应用的可行性。主要研究结果包括以下几部分: (1)系统研究了碳管种类、分散剂种类、堆积密度、表面修饰程度等因素对碳管薄膜力学、电学性能的影响规律。通过大量实验，获得了制备多壁、单壁碳纳米管薄膜的优化方案。设计并搭建了可制备较大尺寸碳纳米管薄膜的设备，制备了最大直径约为30 cm的碳纳米管薄膜，为后续探索其在闪电防护中的应用提供了材料保障。 (2)采用热塑性聚氨酯弹性体(TPU)与碳纳米管薄膜复合，增强了薄膜的综合力学性能。在合适的浸润程度下，复合薄膜的拉伸模量提高至～6 GPa，强度提高至～123MPa，韧性可高达～36 MJ/m3，相比于纯碳纳米管薄膜的对应性能分别提高了3.4倍，9.6倍和近51倍;碳纳米管经适度的臭氧化修饰后，其复合薄膜的力学性能可得到进一步改善，即模量7 GPa，强度160 MPa，韧性33 MJ/m3;研究表明:TPU和碳管之间良好的界面粘接有助于提高碳管的承载能力，继而提高复合薄膜的模量和强度，而TPU基体较大的形变能力（延展性）有助于耗散能量、提高薄膜韧性。 (3)将碳纳米管薄膜用于增强环氧树脂的摩擦磨损性能，通过对碳纳米管进行臭氧化修饰，改善了其与环氧树脂的界面性能，进一步提高了复合材料的耐磨性能。表面改性后复合材料的摩擦磨损性能最好，其摩擦系数可从环氧树脂的0.71下降到0.32，比磨损速率下降至纯环氧树脂的19％，耐磨性能提高了4倍;由于碳纳米管网络的存在，摩擦磨损试验前后，复合材料均能保持较高的导电性;结合扫描电镜图像和拉曼光谱研究了复合材料的耐磨机理，摩擦系数的降低可归结于碳纳米管的自润滑效应以及复合材料优异的力学性能，耐磨性能的提高可归功于高含量碳纳米管网络对裂纹扩展的抑制作用以及复合材料体系中对磨面上连续转移膜的形成。 (4)对碳纳米管薄膜在碳纤维复合材料闪电防护中的应用展开了探索研究。利用三种电导率不同的胶黏剂将多壁（或单壁）碳纳米管薄膜粘贴于碳纤维复合材料板表面，通过模拟闪电冲击试验测试了样品的防护效果，筛选出了可行的防护方案。实验和有限元模拟结果表明:碳纳米管薄膜与较厚的绝缘胶配合使用时的防护效果优于其与导电胶配合使用的防护效果;碳纳米管薄膜能够促进闪电电流向接地端的传导（沿面传导），而绝缘胶层能够阻止电流沿厚度方向传导至碳纤维复合材料板内部，从而增强了碳纳米管薄膜的闪电防护效果;与之不同，导电胶层容易发生电击穿，且会促进电流沿厚度方向传导，不利于闪电防护。70μm厚的多壁碳纳米管薄膜与200μm厚的BN/EP绝缘胶层配合使用，可承受峰值电流为100 kA的闪电冲击，满足飞机表面2A区闪电防护的基本要求;该防护层的面密度较低(326 g/m2)，相比于商用铜网闪电防护体系减重30％，铝网体系减重55％。本研究结果有助于加深对闪电防护机理的认识，为设计轻质、高效的闪电防护层提供了实验依据。