碳纳米管作为典型的一维纳米材料,其特有的中空管状结构、较高的长径比和化学稳定性、优异的力学、电学及光学等性能,一直成为基础研究与应用开发的热点。在微纳尺度下,单根碳纳米管具有超强的力学性能,其拉伸强度高达100GPa,杨氏模量超过1TPa,断裂伸长率达30%,能量吸收性能较传统高性能纤维高1-2个数量级。同时,碳纳米管在常温下呈现特有的弹道导电行为,并具有比铜高两个数量级的载流能力。此外,单壁碳纳米管的热导率高达3000W/（mK）,和金刚石相当。如何将碳纳米管优异物理特性在其宏观材料中发挥出来是实现碳纳米管应用的关键所在。最近几年,碳纳米管宏观体的结构与性能的研究得到广泛关注并取得实质性突破,碳纳米管宏观体已成为新一代关键材料开发的热点。本学位论文系统研究碳纳米管薄膜的组装方法、复合薄膜的静态、动态力学性能,从纳观、微观到宏观尺度上分析碳纳米管薄膜的内在力、热的传输机制与规律,具体研究内容如下:首先研究基于阵列纺丝拉膜法和浮动催化法制备的碳纳米管薄层,根据两种碳纳米管薄层的微观结构形态（阵列纺丝拉膜法碳纳米管取向性能好,浮动催化法碳纳米管呈现网络结构）,设计干法固态层层组装的碳纳米管薄膜可控制备方法,重点研究溶剂收缩、牵伸和热压等方法对碳纳米管薄膜力学性能的强化作用,结构显示,阵列纺丝拉膜法和浮动催化法获得的碳纳米管薄膜的拉伸强度分别可达到1500MPa和345MPa,这为碳纳米管复合薄膜的制备及性能提升研究奠定基础。为进一步提升碳纳米管薄膜的力学性能,以阵列纺丝拉膜法获得的取向碳纳米管薄膜为骨架增强相,分别引入石墨烯、高分子为第二组分基体相,根据碳纳米管自身结构的特点,进行不同种方式复合,重点研究第二组分的引入对复合薄膜力、电性能的强化作用,通过微观结构分析力学和电学性能,阐述复合薄膜中基体相的增强作用机制,并通过调整第二组的质量分数、制备条件而获得最佳工艺参数,为实现碳纳米管薄膜在结构功能一体化材料的设计与应用方面研究提供科学依据。针对浮动催化法获得的大尺寸碳纳米管薄膜,通过物理方法多层堆叠、与超高分子量聚乙烯无纬布（UHMWPE UD）复合及层合结构设计,并进行弹道性能测试,研究碳纳米管薄膜与UHMWPE UD的层合结构对抗弹速度、弹道凹陷的影响规律,通过微观扫描电镜结合材料弹道结构破坏模式分析碳纳米管薄膜具有高能量吸收特性的机理,重点考察碳纳米管薄膜的层合方式、插层位置与弹道V₅₀值、凹陷深度的关系,为实现碳纳米管薄膜在防弹领域的应用提供基础数据支持和理论依据。为充分发挥碳纳米管薄膜轻质柔性对瞬时能量的快速吸收响应特性,本论文将浮动催化法制备的大尺寸碳纳米管薄膜与传统高分子防护材料体（UHMWPE、芳纶纤维）复合及层合结构设计,构建一种质量密度小、防护性能优越的新型防刺材料体系。研究碳纳米管薄膜层数、复合工艺方法及层合结构对穿刺力、穿刺效能的影响关系,分析穿刺速度、剩余速度和能量吸收的演变规律,深入揭示碳纳米管薄膜提升复合材料防刺性能的内在机理,为轻质柔性、高能量吸收的碳纳米管薄膜防刺材料的应用奠定基础。最后,在碳纳米管薄膜力学性能研究的基础上,进一步开发碳纳米管优越的导热特性,以阵列纺丝拉膜法获得的碳纳米管薄膜为对象,研究石墨烯对碳纳米管的界面增强作用,引入高温碳化处理工艺技术,使得碳纳米管与石墨烯之间形成共价键作用,实现宏观碳纳米管材料的热导率高达2200 W/m K。分析石墨烯浓度、质量分数、碳化温度等条件对复合薄膜导热性能、柔韧性的影响,通过扫描电镜、透射电镜、XPS等表征手段,研究石墨烯对碳纳米管薄膜增加声子传输通道、减少碳纳米管管间滑移方面的作用,为下一代结构功能一体化材料的发展提供理论依据。