本文通过在传统的复合材料基体中引入碳纳米管、并通过碳纳米管的表面改性与接枝形成三维增强体,研究了三维增强体体系对复合材料力学性能的影响规律。本文首先开展了碳纳米管的表面官能化及接枝研究。采用化学修饰方法将活性官能团引入到碳纳米管的表面并将两根碳纳米管通过化学键相连,实现碳纳米管的接枝,形成具有三维几何形态的碳纳米管增强体。研究了不同的酸体系和处理条件对碳纳米管处理效果的影响。结果表明,采用浓硝酸与浓硫酸体积比为3:1的混酸作为酸氧化体系,在碳纳米管表面形成了大量的羧基官能团。将羧基官能化的碳纳米管与过量的二氯亚砜(SOCl2)反应,可使得多壁碳纳米管表面的羧基官能团转化为反应活性更高的酰氯官能团。再通过酰氯官能团与胺基官能团之间的化学取代反应,将二乙烯三胺成功引到碳纳米管的表面。扫描电镜(SEM)及红外吸收图谱(IR)分析表明,碳纳米管表面的氮元素含量占表面有机基团中元素含量的5.1%,获得了较好的胺基官能化处理效果。结果还显示,通过碳纳米管的胺基官能化处理,碳纳米管在有机溶剂中的溶解能力也大大提升。在对碳纳米管进行表面化学修饰的基础上,本文对碳纳米管进行了接枝改性。将酰氯官能化的碳纳米管和胺基官能化的碳纳米管加入到DMF溶液中,通过有机官能团之间的取代反应,将两根碳纳米管化学连接到一起,形成接枝碳纳米管。扫描电镜(SEM)及红外吸收图谱(IR)分析表明,获得了接枝改性的多维碳纳米管。为了考察接枝碳纳米管的增强效果,本文分别制备了含未表面处理的碳纳米管、表面胺基官能化的碳纳米管以及接枝改性的碳纳米管三种增强体的环氧树脂浇铸体以及纯环氧树脂浇铸体,并进行了力学性能测试和分析。结果表明,多维接枝改性的碳纳米管增强树脂基体的浇铸体的强度及韧性最高,表面胺基官能化的碳纳米管增强树脂基体浇铸体的性能其次。探讨了碳纳米管增强复合材料的增效机制,碳纳米管对基体的增效机制主要为界面的化学键增效机制、多维分支与基体间的机械啮合作用以及增强体多维几何形态带来的复合材料损伤机制的多样化。本文进一步开展了碳纳米管与碳纤维共同增强聚合物复合材料力学性能研究。在基体中均匀而无定向分布的碳纳米管与一维的碳纤维增强体共同构成了多维的增强体体系。本文以T700连续碳纤维和表面化学修饰的多壁碳纳米管作为增强体,以CYD-128环氧树脂作为基体,制备了单向碳纤维与碳纳米管共同增强的树脂基复合材料,并对复合材料的力学性能进行了测试和分析。复合材料的拉伸模量基本不变,拉伸强度σb和失稳应变εb分别提高了7.6%和6.7%,性能的离散度显著降低,离散标准方差分别降低了14.5%和41.0%;层间剪切强度提高了约6.2%,离散标准方差降低了约58.9%;复合材料的压缩弹性模量略有提高,压缩强度与压缩应变分别提高约11.2%和15.8%,但压缩模量、压缩强度及压缩破坏应变的离散标准方差则分别提高约55.6%、39.4%和35.0%。探讨了多维增强体体系对复合材料性能的影响机制,主要为碳纳米管网络结构对基体性能的改善以及在横向上起到的“缝合”作用,弥补了单向纤维增强体系的不足,降低其性能离散性。由于压缩损伤机制的复杂性以及碳纳米管在基体中的团聚,压缩性能的离散性反而有所增加。