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碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有高强高模、可设计性强、耐腐蚀、便于大面积整体成型等优点，其需求量呈逐年递增趋势，但纤维与树脂间的界面结合性能差则限制了CFRP机械性能的提高。集诸多优异性能于一身的碳纳米管(CNT)增强的树脂基复合材料不仅具有良好的力学性能，而且还具有导热、导电、吸波等功能特性，但它在树脂中的团聚和漂浮等问题阻碍了碳纳米管在复合材料领域中的应用。因此，解决碳纤维和碳纳米管单独增强树脂基复合材料时的弊端，将碳纳米管固定于碳纤维表面形成CNT/CF多尺度体后增强制备复合材料成为一条可行的途径。目前，围绕这种多尺度增强结构的制备、性能分析和界面增效机制的研究引发了广泛关注。
本论文研究了三种不同形式的化学气相沉积法(CVD)在碳纤维表面生长碳纳米管制备CNT/CF多尺度增强体的工艺，旨在优化制备条件，使处理后的纤维增大与树脂基体的接触面积，改善复合材料的界面结合性能，解决碳纳米管在基体中的团聚、漂浮等问题，在一定程度上实现碳纳米管在树脂中的均匀分散及定向排布。论文着重进行了如下几个方面的研究:(1)探讨制备方法和反应条件对CNT/CF形貌的影响;(2)优化制备工艺条件，最大限度保证处理后的纤维保持力学性能;(3)分析比较三种不同CVD方法制备-CNT/CF的过程及原理;(4)考察表面生长碳纳米管前后纤维微观结构及化学性质的变化;(5)从微观和宏观角度研究CNT/CF增强环氧树脂基复合材料界面性能的影响，并提出相关的作用机理。主要结论如下:
1、固定CVD法制备CNT/CF时发现过渡金属的催化活性顺序为Ni＞Co＞Fe，且反应温度高于800℃时催化剂粒子容易破坏纤维的表面结构而使其力学性能保持率仅为80％左右;碳纤维经过浸渍预处理在表面形成Al2O3隔层后可在其表面垂直生长高度超过20μm的碳纳米管阵列。
2、浮游CVD法与雾化CVD法制备CNT/CF多尺度材料时，母体纤维的力学性能保持率≥90％;雾化CVD法制备CNT/CF的实质是在纤维表面原位(in-situ)生长碳纳米管，超声处理证实产物碳纳米管与纤维基体之间具有较强的结合力。
3、CVD法制备的CNT/CF多尺度体表现出较强的疏水性能，而对E-51、AG-80等环氧树脂及热塑性聚醚砜树脂表现出良好的浸润性能;相比于原始碳纤维，表面生长碳纳米管的碳纤维表面能其极性分量下降了70％左右，色散分量增加了大约25％，但其总表面能保持不变;同时，CNT/CF对E-51环氧树脂的粘附功仅比原始纤维降低了6％左右。
4、表面生长碳纳米管的单根纤维增强环氧树脂滴复合材料的界面剪切强度(IFSS)为126MPa，相比原始碳纤维约有94％的提高，且脱粘载荷随纤维埋入微滴树脂的深度呈线性增长;SEM观察发现原始纤维与CNT/CF增强制备的树脂基复合材料断裂形貌显著不同，原因在于CNT的引入提高了纤维的粗糙度和比表面积，增大了纤维与树脂间的接触面积和机械啮合力，从而增强了复合材料的界面黏结性能。
5、树脂基层压板材（由原始碳布或CNT/碳布增强AG-80环氧树脂得到）在不同温度下的去离子水环境中时，其吸湿速率在初期符合Fick第二定律;CNT/碳布增强CFRP板材的饱和吸湿含量要高于原始碳布增强的复合材料，其原因在于水分子通过纤维与树脂间的界面渗入前者增强的CFRP内部空隙中积聚所致。
6、碳布表面生长碳纳米管前、后增强AG-80环氧树脂制备的CFRP层压板材其层间剪切强度(ILSS)大小相差不大，但经过湿热老化处理(100℃沸水浸泡48h)两种CFRP的ILSS大小较干态时的样品分别降低了大约11％和5％左右，显示出CNT/碳布增强的复合材料具有较佳的耐湿热性能。同时，碳布表面生长碳纳米管后增强制备的CFRP板材中纤维与树脂基体结合依然紧密，能够较好的保持复合材料的界面黏结性能。