碳/碳（C/C）复合材料作为一种超高温结构复合材料广泛应用于航天航空领域。在C/C复合材料的制备过程中，诸如热解碳环状开裂、碳纤维/热解碳界面松弛等基体微缺陷无法避免，严重影响了C/C复合材料的力学性能。在碳纤维预制体中原位生长碳纳米管（CNT），构建碳纤维-CNT多尺度预制体，可以实现对C/C复合材料碳基体微纳米尺寸上的强化，避免微组织缺陷的产生，有利于C/C复合材料力学性能的改善。然而当前碳纤维表面原位生长的CNT多为卷曲状且分布不均匀，导致CNT对C/C复合材料的增强效果较差。为了提高CNT对C/C复合材料的增强效果，本文采用催化化学气相沉积（CCVD）在碳纤维表面原位生长了径向直立CNT，并实现了其在碳纤维预制体中的均匀生长。同时，为了探究CNT生长形貌和复合材料性能之间的关系，对比研究了径向直立CNT和卷曲状CNT对C/C复合材料致密化行为、热解碳组织结构、复合材料微缺陷及分布、力学性能等方面的影响，得出主要结论如下：研究了不同形貌CNT的CCVD生长及其长度和产率控制：以天然气为碳源，Fe为催化剂，借助CCVD在碳纤维表面原位生长径向直立CNT的最佳温度为1050°C。对碳纤维进行一定时间的浓硝酸处理，可以实现径向直立CNT在其表面的均匀生长；改进CCVD反应区的流场特性，缩短反应气体在反应区的滞留时间可以提高径向直立CNT在宏观碳纤维毡中的生长均匀性。改变生长时间和催化剂的加载量，可以控制径向直立CNT的产量。以C3H6为碳源，Ni为催化剂，借助CCVD在碳纤维表面原位生长卷曲状CNT的最佳温度为770°C。改变浸渍用催化剂溶液中溶质浓度，可以控制碳纤维毡中卷曲状CNT的产率，改变生长时间则可控制碳纤维表面卷曲状CNT涂层的厚度。研究了不同形貌CNT的微观结构及其与碳纤维的结合力，结果表明，径向直立CNT具有很好的晶态结构，随生长温度的提高，径向直立CNT的外径尺寸和壁厚增大，内径尺寸减小。卷曲状CNT的晶态结构较差，管壁中石墨片层的排列有序度差或排列方向与管轴呈一定角度。径向直立CNT与碳纤维之间的结合力很强，约为60GPa。该类CNT与碳纤维之间是以一种结构类似于CNT管壁的“石墨墙”结构联系，而大部分卷曲状CNT与碳纤维之间没有直接连接，两者之间的结合力较弱。研究了不同形貌CNT掺杂C/C复合材料的致密化过程：径向直立CNT-C/C复合材料在不同沉积温度、不同前驱气体分压下的致密化速率均高于纯C/C复合材料，适中的温度（1080°C）和适中的前驱气体分压（20kPa）有利于径向直立CNT-C/C复合材料的致密化速率和密度分布均匀性。随着径向直立CNT含量的升高，复合材料的致密化速率不断增大。卷曲状CNT仅可提高C/C复合材料在不同沉积温度、不同前驱气体分压下的初始致密化速率，卷曲状CNT-C/C复合材料的全程平均致密化速率相比于纯C/C复合材料下降，且降幅随卷曲状CNT含量的增加而提高。降低沉积温度和提高前驱体分压可增大卷曲状CNT-C/C复合材料的致密化速率，但复合材料密度分布均匀性也随之降低。揭示了不同形貌CNT对热解碳沉积过程的影响机制，对于径向直立CNT-C/C复合材料，热解碳在碳纤维表面优先沿碳纤维径向呈推进式沉积，使得热解碳能充分填实孔隙；对卷曲状CNT-C/C复合材料，热解碳不易在CNT三维多孔结构中沉积，而是优先在碳纤维之间的空间内沉积，这最终导致碳基体中大量纳米闭孔的形成以及复合材料较低的表观密度。研究了不同CNT掺杂对C/C复合材料热解碳基体组织结构的影响。CNT加入后，复合材料碳基体由单一结构变为两层结构，即围绕碳纤维的CNT富集层和外围热解碳层。两层结构在PLM下呈现截然不同的形貌，CNT富集区碳基体为各向同性，外围热解碳消光角则与纯C/C复合材料的碳基体接近，但其生长锥相比后者明显增多，尺寸显著细化。随着CNT含量的增加，各向同性碳基体范围逐渐扩大。径向直立CNT-C/C复合材料中，CNT富集区碳基体为致密结构，而卷曲CNT-C/C复合材料中的CNT富集区碳基体为多孔结构。无论卷曲CNT还是径向直立CNT均有诱导热解碳有序沉积的能力，但诱导能力有限，作用范围仅有几百纳米。XRD测试结果显示，CNT-C/C复合材料比纯C/C复合材料具有更小的d002值和更大的Lc值。结合对CNT富集区碳基体的Raman分析可知，降低的d002和提高的Lc归因于热解碳在CNT周围的有序沉积。但相比于卷曲CNT-C/C复合材料，径向直立CNT-C/C复合材料的CNT富集区拥有更好的(002)晶面面内有序度。HRTEM分析表明CNT富集区为长程无序碳结构，其仅在数十纳米范围内具有较好的织构。CNT富集区呈现各向同性特征与CNT之间取向角度的差异有关，实验证明，以ICVI致密化孔隙尺寸为亚微米或纳米级别的CNT三维结构时生成各向同性碳是必然的。径向直立CNT能够大幅提高C/C复合材料叠层方向压缩和层间剪切性能（提高幅度大于200%），特别是当CNT含量相对较高时，并有效降低了叠层C/C复合材料力学性能上的各向异性度。但由于生长径向直立CNT过程对碳纤维表面结构的严重损伤，径向CNT-C/C复合材料的弯曲性能低于纯C/C。SEM分析显示，径向直立CNT对C/C复合材料的强化机制主要是通过向纤维/基体界面、碳基体提供径向加固，抑制基体组织缺陷和破坏性裂纹在其内扩展来实现。卷曲状CNT不能对外围碳基体提供径向强化，且碳管自身拔出受限，因此卷曲CNT在提高C/C复合材料碳基体主宰的力学性能方面效力有限，但卷曲CNT却能较好地改善C/C复合材料假塑性断裂特征，并在一定程度了提高了复合材料的弯曲性能。揭示了不同形貌CNT对C/C复合材料力学性能的影响机制。卷曲状CNT-C/C和径向直立CNT-C/C复合材料具有不同力学特性的纤维/基体界面：前者的纤维/基体界面模量低于碳基体和碳纤维，这种界面有利于促进碳纤维的拔出，赋予复合材料较好的假塑性断裂特征；后者的纤维/基体界面模量高于碳基体，不利于裂纹在界面处的偏转，进而抑制了复合材料断裂中碳纤维拔出，导致其脆性断裂特征。针对C/C，卷曲CNT-C/C和径向直立CNT-C/C复合材料的低温热稳定性研究进一步表明：两种形貌CNT对纤维/基体界面的强化效果显著，但相比于卷曲CNT，径向直立CNT能更好地加固碳基体，赋予了复合材料更好的低温热稳定性能。