本论文主要研究了采用化学气相沉积工艺在碳纤维的表面原位生长碳纳米管。通过调整工艺参数和催化剂种类在碳纤维的表面制备出具有卷曲状和直立状形貌的原位生长碳纳米管。采用碳纳米管改性碳纤维做为增强体制备了碳纳米管改性碳纤维增强热解碳复合材料并研究了该复合材料的微观结构和力学性能。采用化学气相沉积工艺借助不同的催化剂在碳纤维的表面制备了卷曲状和直立状形貌的原位生长碳纳米管。分析了催化剂颗粒在碳纤维表面的形成过程，研究了碳纳米管改性碳纤维的形貌和微观结构。结果发现，碳纳米管在碳纤维的表面可以呈现卷曲状和直立状，卷曲状和直立状形貌的原位生长碳纳米管的拉曼光谱缺陷峰和石墨峰的强度比例分别为0.352和0.351，两种碳纳米管均呈现较高的石墨化度。碳纳米管改性碳纤维可以诱导生成粗糙层结构的热解碳并改善了热解碳和碳纤维之间界面结合。随着碳纤维表面碳纳米管含量增加，碳纳米管改性碳纤维增强热解碳复合材料的弯曲性能显著提高。相比与未施加碳纳米管的碳纤维增强热解碳复合材料，碳纳米管含量为0.9wt%的碳纳米管改性碳纤维增强热解碳复合材料的弯曲强度和弯曲模量分别提高了82%和45%。