近年来,聚偏氟乙烯(PVDF)树脂因其良好的综合性能业已发展成为应用范围仅次于聚四氟乙烯的氟树脂品种,涉及电子计算机、航空航天、信息处理、医疗器械、光学仪器和兵器工业等诸多应用领域。但相比于常见的工程塑料和通用塑料,PVDF的应用范围仍不够宽泛；如欲进一步拓展其应用领域,还需对其进行填充改性以满足更高的性能或功能化的要求。这其中,一维尺度的碳材料如碳纤维、纳米碳纤维、碳纳米管等因自身优异的力学性能、良好的导电能力以及独特的长径比结构,在PVDF的填充改性研究中扮演着举足轻重的角色。然而,针对这类PVDF基复合材料内部多层次的结构,尤其是填料的近程和远程结构与材料宏观性能之间关系的研究还不够充分,而这对PVDF基复合材料的结构设计和性能控制是至关重要的。因此,本文首先通过熔融共混制备了三种具有不同结构和尺度的碳材料填充的PVDF体系：聚偏氟乙烯／碳纤维(PVDF/CF)、聚偏氟乙烯／碳纳米纤维(PVDF/CNF)以及聚偏氟乙烯／碳纳米管(PVDF/CNT)复合材料,随后通过研究和比较这几种复合材料的力学性能、热行为、流动和变形能力以及导电和介电性,考查了材料内部的多层次结构,包括PVDF的聚集态和织态结构、碳系填料的近程、远程结构与宏观性能之间的关系；并进一步利用力学模型、动力学模型以及粘弹模型等构建了PVDF基复合材料中不同层次的结构与不同性能之间的联系,目的在于初步实现该复合体系的结构设计和性能控制,为制备高性能及功能化的PVDF基复合材料提供较全面的理论基础和加工依据。得到的主要结论如下：(1)对于PVDF/CF复合材料：CF对PVDF具有显著的增强效果：当CF含量为28wt%时,复合材料的拉伸强度、模量以及弯曲强度与纯PVDF相比分别提高了179.56%、107.8%和139.83%；在CF含量不高的情况下,复合材料的弹性模量与Krenchel和Nielsen模型的预测值相吻合；CF的长径比和取向度是影响复合材料力学性能最重要的两个结构参数,其中,Halpin-Tsai方程能够较好地描述复合材料中CF的有效长径比,而由Krenchel-COX方程则可较为准确地获得CF在PVDF基体中的取向度；此外,CF的表面处理能使之与PVDF间的界面张力减小,有效提高了两相的亲和性,从而进一步提升CF的增强效果；(2)对于PVDF/CNF复合材料：CNF增强的PVDF复合材料同时具备优异的拉仲强度和抗冲强度：当CNF含量达到3wt%时,复合材料的拉伸强度和抗冲强度相比于纯PVDF分别提升了29.6%和30.97%；但当CNF含量超过3wt%时,由于受体积填充分数急剧增大的影响,CNF在与PVDF基体熔融复合时不易分散均匀,因此复合材料的力学性能反而下降；与CF类似,CNF的加入能全面提升复合材料的电性能,且改善效果明显优于CF：当CNF含量为13wt%时,复合材料的电导率提升了约9个数量级,介电常数提升了约2个数量级；此外,CNF具有明显的异相成核作用,可大大加快PVDF的结晶速率,但并不会改变PVDF的晶型；(3)对于PVDF/CNT复合材料：CNT的引入强烈影响复合体系的稳态和动态流变行为：随CNT含量的增加,体系假塑性流动行为增强,流动活化能也随之增大；但无论是在稳态剪切还是在动态剪切流动中,体系的线性流动范围几乎都不随温度而改变；在小振幅振荡剪切流动中,CNT形成的逾渗网络结构强烈依赖于温度,逾渗阀值随着温度的升高而逐渐变小,因此时温等效原理只适合于逾渗前的体系,而对逾渗后的体系则不适用；不过两相模型能很好地描述CNT的浓度及分散情况对复合材料小振幅振荡剪切流变行为的影响,由此可进一步获得与CNT近程和远程结构有关的结构参数；此外,与CF和CNF类似,CNT对复合材料的力学性能和结晶行为也有着显著的影响。