碳纤维增强聚合物基复合材料的破坏往往是由碳纤维与基体之间的弱界面导致的,构筑出色的界面能确保应力在纤维和基体之间连续有效传播,对提高复合材料的力学性能具有重要意义。利用化学气相沉积法（CVD）在碳纤维表面原位生长碳纳米管（CNTs）,能够增大碳纤维的表面粗糙度,增加纤维与树脂基体的机械啮合,有利于提高复合材料的界面性能。本文实现了 CNTs在碳纤维表面的低温生长,降低了催化剂对纤维的刻蚀作用,提高了复合材料的宏观力学性能,揭示了CNTs对复合材料界面性能的增强机理。双氧水（H2O2）处理能够活化纤维表面,有利于催化剂前驱体在纤维表面的负载。通过研究发现处理时间能够影响纤维强度和CNTs的形貌。处理时间过短,纤维表面活化不充分,催化剂不能均匀地负载在纤维表面,导致CNTs生长不均匀;处理时间过长,又会引起纤维强度的降低。实验研究表明处理时间为90min时能够实现CNTs在纤维表面的均匀生长,此时纤维的强度降低1.2%。利用Fex-Co1-x（0≤x≤1）催化剂体系在碳纤维表面生长CNTs,探索高效的催化剂组成。发现双金属催化剂在低温下具有更好的催化效果,当x=0.5时,催化剂能够在纤维表面形成均匀分布的催化剂颗粒,对纤维的损伤程度更小,经500℃还原后纤维的拉伸强度降低7.63%,经过CVD过程的修复作用后,碳纤维/CNTs增强体的拉伸强度提高11.53%。利用高分辨透射电子显微镜（HRTEM）发现了 CNTs生长过程中催化剂的“熔滴”现象,说明在CVD过程中催化剂颗粒呈现液态,碳原子在催化剂中的扩散方式为液相体扩散或者同时存在液相体扩散与表面扩散,降低了 CNTs生长的活化能,使CNTs能够在较低的温度下生长。通过对复合材料界面性能的表征,发现不同温度制备的增强体的增强效果不同。较高温度下生长的CNTs密度大,缠结现象严重,不利于与树脂之间的浸润,容易在界面处产生缺陷。400℃时,纤维表面的CNTs能够与树脂充分浸润,具有最好的增强效果,使复合材料的层间剪切强度（ILSS）和界面剪切强度（IFSS）分别提高了 32.29%和30.73%。通过扫描电子显微镜（SEM）对复合材料断裂面的微观形貌观察以及原子力显微镜（AFM）对界面处弹性模量的测量,发现CNTs能够在碳纤维与树脂之间诱导形成一个厚度约为0.41μm的界面相,使应力在两者之间进行连续传播,并通过裂纹桥联和拔出的方式消耗能量,从而提高复合材料的抗损伤能力。CNTs在复合材料中存在三种失效方式,分别是CNTs与碳纤维接头断裂、CNTs从树脂基体拔出以及CNTs自身断裂。三种失效方式取决于CNTs与碳纤维和树脂基体之间结合力的大小,其中CNTs从树脂基体中拔出和自身断裂两种失效方式能够增加纤维与树脂的分离难度,有利于提高复合材料的界面性能。详细研究了催化剂前驱体浓度、CVD时间以及气体比例对低温CNTs生长的影响。表征了 CNTs的形貌与加载量、碳纤维/CNTs增强体的结构与拉伸性能以及复合材料的ILSS,明确了 CVD工艺条件的变化如何一步步对CNTs、碳纤维/CNTs增强体以及复合材料界面性能产生影响。研究发现:催化剂前驱体浓度过低,催化剂容易扩散进入碳纤维内部丧失活性,导致催化生长的CNTs面密度较低,起不到很好的增强效果;催化剂前驱体浓度过高,则容易在纤维表面聚集成较大的催化剂颗粒,加剧对纤维的刻蚀。CVD时间过短,CNTs在碳纤维表面的加载量有限,纤维表面的缺陷得不到有效的修复,不利于复合材料力学性能的提高;生长时间过长,卷曲的CNTs容易在纤维表面相互缠结,影响纤维与树脂的浸润。同时生长时间过长也会导致失活的催化剂颗粒被碳原子包裹形成杂质,在复合材料界面处形成缺陷,成为应力集中点导致材料失效。H2浓度过低,无法还原产生足够的催化剂纳米颗粒进行CNTs的生长,导致较低的加载量;H2浓度过高,稀释了碳源的浓度,同时通过刻蚀作用维持催化剂的活性,阻碍碳原子在催化剂中的扩散,同样导致CNTs的加载量较低,增强效果有限。当生长温度为400℃、催化剂前驱体浓度为0.05mol/L、生长时间为10min、H2与C2H2的比例为3:1时,CNTs的加载量控制在5-7%之间,对复合材料界面性能具有最好的增强效果。在纤维表面加载了 Fe-Co、Fe-Ni、Co-Ni和Fe-Co-Ni四种催化剂,通过CVD过程在350-400℃的低温下进行CNTs的生长,研究了不同催化剂在各个温度下对CNTs的形貌与加载量、微观结构、碳纤维/CNTs增强体的力学性能的影响。发现不同催化剂的催化效率为Fe-Co＜Co-Ni＜Fe-Ni＜Fe-Co-Ni,并且CVD产物的微观结构与温度和催化剂的关系十分密切。350℃催化生长的产物主要是具有实心结构的碳纳米纤维（CNFs）,升高温度有利于产物石墨化程度的增加,慢慢向具有空心结构的CNTs转变。对不同的催化剂来说,Fe-Co催化剂催化生长的CVD产物石墨化程度较高,Fe-Co-Ni催化剂催化生长的CVD产物石墨化程度最低。使用Fe-Ni催化剂在400℃制备的碳纤维/CNTs增强体的强度最高,达到3.99GPa,较脱浆纤维提高了 11.14%。CNTs和CNFs都能够提高复合材料的界面性能,但其两者增强机理不完全相同。对CNFs来说,较高的表面能使碳纤维/CNFs增强体与树脂充分浸润,提高了界面结合,但CNFs强度较低,很容易受到剪切力的作用而失效,起不到很好的增强效果。CNTs虽然表面能较低,但其表面具有的π电子能够与环氧树脂相互作用,同时CNTs的轴向强度大,受到剪切力的作用时能够改变力的传播途径,偏转裂纹,从而提高复合材料的承载能力。为了进一步提高复合材料的力学性能,对碳纤维/CNTs增强体进行了氧化与氨基化后处理,增加了纤维表面极性官能团的数量,改善了纤维与树脂的润湿性,表面引入的官能团可与环氧树脂基体发生化学反应,在两者之间形成化学键,由CNTs引起的机械啮合作用和由极性基团引起的化学相互作用同时存在于界面相中,两种作用相互协同,共同提高复合材料的界面性能。对500℃制备的碳纤维/CNTs增强体氧化处理后ILSS达到77.68MPa,较未氧化处理之前提高24.45%。对400℃制备的碳纤维/CNTs增强体氨基化处理后IFSS提高到74.52MPa,较未氨基化之前提高了11.14%。