聚合物的耐温性与韧性往往是一对矛盾。聚合物分子链上的刚性基团越多、刚度越大,分子链段的运动阻力越大;交联聚合物网络中,交联点间距离越短、交联密度越大,则聚合物的玻璃化转变温度(T_g)越高、耐温性越好;而聚合物的高韧性要求分子链段的变形能力和吸收应变能的能力强,故通常要求聚合物分子接枝柔性基团和线性链段。通过聚合物共混、掺杂及分子设计等方法可以提高聚合物基体的耐温性和韧性,但往往顾此失彼,不可兼得。本文拟采用碳纳米管改性技术,期望利用碳纳米管的纳米尺寸、高长径比、大比表面积的尺度特点以及极好的力学性能,同时提高聚合物基体的T_g和韧性。具有一定长径比的碳纳米管能通过阻止裂纹扩展、使裂纹偏转、界面脱粘、碳纳米管桥联和拔出等机制吸收能量,提高聚合物的韧性。同时,碳纳米管的尺度与聚合物发生玻璃化转变的分子链段的尺度相近,能阻碍聚合物分子的运动、降低分子链段的运动能力及其对温度变化的响应速度,提高聚合物的T_g。但已有的实验研究发现,碳纳米管的加入并不总是能提高聚合物的T_g。在某些情况下,添加碳纳米管反而降低了聚合物的T_g,且不同研究者得出了不尽一致的结论。本文的主要目的是通过实验与分子模拟方法,试图全面和系统地揭示不同形态碳纳米管对聚合物玻璃化转变温度的影响规律和内在机制。本文以环氧树脂为例,首先分别考察了碳纳米管表面官能化、含量和尺寸对碳纳米管/环氧树脂复合材料T_g和冲击韧性的影响,探索碳纳米管形态对环氧树脂的T_g和冲击韧性的影响规律。结果表明,碳纳米管对碳纳米管/环氧树脂复合材料的T_g和冲击韧性的影响规律主要决定于碳纳米管与环氧树脂基体间相互作用和界面结合,以及碳纳米管在碳纳米管/环氧树脂复合材料中的分散形态及实际长径比;优化得到,添加0.25 wt%的、长径比约为10的氨基化碳纳米管,对环氧树脂的综合改性效果最好。为了表征碳纳米管与环氧树脂的相互作用和界面结合,本文采用表面能分析仪、原子力显微镜及热分析技术表征了典型表面官能化碳纳米管的表面性质、碳纳米管表面有机官能团与环氧基团的相互作用以及碳纳米管与环氧树脂的反应性。实验结果表明,氨基化碳纳米管表面能分布均匀性好、表面极性低、内聚功小、与环氧树脂相容性好,氨基官能团与环氧基团的物理作用较强,且能发生化学反应形成共价键,增强界面结合。为进一步探究碳纳米管形态对环氧树脂玻璃化转变影响的内在机制,本文建立了计及界面相的碳纳米管/环氧树脂分子动力学模型,模拟了碳纳米管/环氧树脂复合材料的玻璃化转变行为。首先,分别建立不同表面官能化、不同含量和不同长径比碳纳米管/环氧树脂复合材料的分子动力学模型。然后,根据该模型计算得到碳纳米管/环氧树脂复合材料的密度、能量、Connolly自由体积分数(CVF)以及环氧树脂分子均方位移等的变化。模拟结果表明,碳纳米管形态影响碳纳米管/环氧树脂复合材料的T_g,主要归因于碳纳米管对界面相的改变,界面相相互作用强和CVF减小均有利于碳纳米管/环氧树脂复合材料T_g的提高。本文还考察了碳纳米管在改善碳纤维/环氧树脂复合材料的T_g和冲击韧性上的应用效果,初步研究结果表明,碳纳米管的加入能显著提高碳纤维/环氧树脂复合材料的T_g,但由于复合材料成型工艺的限制造成碳纳米管团聚缺陷增多,冲击韧性降低。最后,对本文的工作进行了总结,并对未来的研究工作进行了展望。