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碳纳米管及其复合材料具有丰富而且优异的力学、电学、热学、电化学等物理和化学特性，尤其值得一提的是，它所具有的独特一维纳米尺度空间为材料学家、化学家、生物学家及物理学家提供了无限可能的想象空间。但如何提高碳纳米管在各种介质中的分散性以及提高碳纳米管与基体材料的界面结合作用仍然是碳纳米管的应用瓶颈，由此应运而生的碳纳米管化学就成为研究的热点。本论文首先采用共价或非共价手段对碳纳米管进行表面或管端修饰，深入探讨其功能化机理，为之后碳纳米管复合材料的制备提供理论指导。在合理设计和选择合适碳纳米管表面功能化的基础上，选择具有突出功能特性和科学/应用价值的无机材料体系，制备了一系列具有优异性能的碳纳米管复合材料，并对其化学反应机理和相应的性能进行系统的研究，取得了一些创新性的成果。主要包括以下几个方面的内容：
选用阴离子型表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)对多壁碳纳米管表面进行非共价修饰，通过Zeta电位、红外光谱及俄歇电子能谱测试，研究此种分散剂在碳管表面的吸附作用机理，结果表明表面活性剂SDS分子的憎水基团与碳管表面发生憎水相互作用，而亲水基团则朝向外围水溶剂，通过静电空间排斥作用形成稳定均匀的碳纳米管水悬浮液。并且由于SDS分子在水中的解离作用，使得碳管表面带上了相应的负电荷。通过光学显微镜大体表征在SDS作用下碳纳米管悬浮液的分散状况，从而获得配置均匀稳定碳纳米管悬浮液所需的碳纳米管与SDS的相对优化用量范围，并进一步研究不同用量下SDS对碳纳米管表面的功能化机理。当SDS浓度低于其临界胶束浓度时，以单体的形式吸附于碳纳米管表面，当SDS浓度稍高于临界胶束浓度时，以半胶束的形式吸附于碳管表面，这部分工作为制备碳纳米管复合材料提供了有效的理论指导和实验依据。
创新性地采用紫外可见分光光度法半定量表征了碳纳米管悬浮液的稳定性，有效解决了传统沉降法不适合表征碳纳米管悬浮液稳定性的局限性。利用碳纳米管悬浮液在波长253 nm处的吸收峰强与浓度存在的线性关系，通过测试不同沉降时间碳纳米管悬浮液上层清液的吸光度值，对照标准工作曲线，得出相应的浓度值，从而得到碳纳米管悬浮液浓度随沉降时间不同的变化曲线，从而半定量表征碳纳米管悬浮液的稳定性。
选用多种阴离子型或阳离子型分散剂实现对多壁碳纳米管的非共价修饰，在提高碳纳米管分散性的同时，也使得碳管表面带上了相应的负电荷或正电荷基团，进而通过静电相互作用实现无机纳米粒子如金、硫化镉和氧化锌在碳纳米管表面的包裹。所制备的硫化镉或氧化锌/碳纳米管复合材料在紫外光谱中均显示出蓝移现象，其中氧化锌/碳纳米管复合材料显示出良好的光催化活性，是一种极具应用潜力的光催化材料和气敏材料。
共价键合法合成了碳纳米管/氮化钛复合粉体，并经SPS烧结制备了一系列具有不同碳管含量的碳纳米管/氮化钛复合陶瓷，所得到的复合材料显示出良好的电学、电化学和热学性能。通过表征碳纳米管与氮化钛之间的界面结合作用，探索其界面反应机理，系统研究了碳纳米管及不同碳管含量对复合材料电学、电化学和热学性能的影响。以四氯化钛为前驱物制备了碳纳米管/氮化钛复合材料，当碳管含量达到5 wt％(12.0 vol％)时，复合材料的电导率由144提高到516 S cm-1，大约是纯TiN材料的3.6倍，在强碱性介质中电容量提高了54.8％，表明这种复合材料是一种极具应用潜力的适合于强碱性介质中的电极材料。以钛酸丁酯为前驱物制备的碳纳米管/氮化钛复合材料则显示出优异的热学性能。当碳管含量达到5wt％时，在373 K和703 K热导率分别提高了11％和97％，具有高热导率碳管的加入、碳管在基体中良好的分散性以及碳管与基体之间的共价结合作用均有效促进了复合材料热导性能的提高。
创新性地采用反胶束微乳法实现多壁碳纳米管的端基修饰。首先对多壁碳纳米管进行氨气热处理，再使用SDS胶束水溶液对处理后碳管进行端基修饰，最终在油包水型微乳液体系中实现纳米氧化锌粒子在多壁碳纳米管管端的生长。这一方法有效实现了多壁碳纳米管的管端功能化，而保证管壁不受影响，在以碳管为基的电子器件及碳管定向排列的应用上将有着重要的应用。