碳材料因其优异的力学性能广泛用于增强聚合物基复合材料。本论文采用碳纳米管和碳纤维为增强相,E51型环氧树脂为基体,空心玻璃微珠为轻质填料,制备固体浮力材料。针对碳纤维与和聚合物基体润湿性差的问题,提出了一种强酸氧化碳纤维的工艺。同时,采用数值模拟的方法研究碳纤维对固体浮力材料性能的影响。为了解决碳纳米管在聚合物基体中分散性差的问题,提出了对碳纳米管同时进行共价修饰和非共价修饰的方法,即混杂功能化。使用混杂功能化碳纳米管进一步增强固体浮力材料。为同时利用碳纳米管和碳纤维的增强效果,使用氨基化碳纳米管和氧化碳纤维进行复合,研究复合增强相对固体浮力材料性能的影响。论文得出主要结论如下:1.碳纤维经混酸氧化后可以改善其与环氧树脂基体的结合性。随着氧化碳纤维质量分数的增加,材料的实际密度明显小于理论密度,压缩强度呈现先升高后降低的趋势,当碳纤维的含量为5%时,压缩强度最高为41 MPa。2.随着基体弹性模量的增加,固体浮力材料的力学性能得以改善。基体弹性模量和空心玻璃微珠球壳的最大应力呈线性关系,基体弹性模量每增加0.2 GPa,空心玻璃微珠球壳最大应力减小3 GPa。碳纤维通过增大基体弹性模量和降低空心玻璃微珠球壳最大应力的方式来增强固体浮力材料。各种取向的碳纤维均能增强固体浮力材料,碳纤维能够降低其一侧空心玻璃微珠的最大应力。综合考虑基体弹性模量、空心玻璃微珠最大应力、基体最大应力,沿受力方向分布的碳纤维的增强效果最好。3.对碳纳米管进行混杂功能化处理后,碳纳米管表面的缺陷被覆盖,分子完整性得以提升。混杂功能化碳纳米管在有机溶剂中的分散性良好,能较长时间的稳定存在。添加混杂功能化碳纳米管可提高固体浮力材料的压缩强度,当添加量为0.3wt.%时,压缩强度最高。其中,使用聚甲基苯基硅氧烷功能化碳纳米管所制备的固体浮力材料压缩强度最高,为60 MPa。碳纳米管经混杂功能化后,可明显改善在固体浮力材料中的团聚现象,同时不降低与聚合物基体的结合性,使其力学性能充分体现。4.当碳纳米管修饰碳纤维(CF-MWCNT)添加量在0.1%-1.0%时,固体浮力材料的密度稳定在0.6 g/cm~3左右,占空比逐渐提高。当CF-MWCNT添加量为0.5%时,压缩强度最高,可达52 MPa。碳纤维经碳纳米管修饰后,提高了碳纤维与环氧树脂之间的结合性。一部分碳纳米管与碳纤维形成碳纤维/碳纳米管/偶联剂/环氧树脂的交联网络,一部分碳纳米管分散到环氧树脂基体中,从而提高复合材料的力学性能。