碳纳米管以其优异的力学、热学、光学和电学等性能成为聚合物基和金属基复合材料理想的增强体。本论文以多壁碳纳米管作为增强相,选择环氧树脂和Ti6Al4V作为基体,研究碳纳米管的含量、长度和分散性对环氧树脂基复合材料力学性能和断裂行为的影响；分析了现有的复合材料弹性模量和断裂韧性预测的模型的局限性,结合实验结果,提出了适合于高含量碳纳米管增强树脂基复合材料弹性模量预测的Halpin-Tsai修正模型；选择环氧树脂和Ti6Al4V作为基体,制备了碳纳米管增强空心玻璃微珠/环氧树脂三相固体浮力材料,分析了碳纳米管对空心玻璃微珠/环氧树脂固体浮力材料密度、压缩性能和吸水性的影响；采用原位铸造法,以碳纳米管作为碳源,制备了TiC颗粒增强Ti6Al4V复合材料,研究碳纳米管对TiC颗粒形貌、复合材料的显微组织、力学性能和断裂行为的影响及其增强机理。论文得出如下主要结论：1.当多壁碳纳米管的含量为0.3wt.%时,多壁碳纳米管/环氧树脂复合材料的弹性模量和断裂韧性达到最大值。高含量碳纳米管容易产生团聚现象,导致复合材料的力学性能有所下降。增加多壁碳纳米管的长度有利于载荷的有效传递,可以提高复合材料的力学性能。利用超声波空化效应可以有效提高碳纳米管的分散性,尤其当碳纳米管含量较高时。碳纳米管的添加使得裂纹的扩展受到阻碍,桥联作用是碳纳米管的主要增强机理。2.通过对文献的整理和分析,对经典的Halpin-Tsai模型进行了修正,引入的半经验参数p随着碳纳米管含量的增加而增加。采用修正的Halpin-Tsai模型预测碳纳米管/聚合物复合材料的弹性模量的误差仅为±5%,当碳纳米管含量较高时,预测值与实验值的误差约为±10%,预测精度较原模型的预测值大幅提高。当聚合物基体为脆性材料,根据Griffith理论,假设聚合物基体及其复合材料的的应力应变曲线为直线,应变相同的条件下,可以利用修正的Halpin-Tsai模型预测碳纳米管/聚合物复合材料的断裂韧性,预测值与实验结果的误差仅为±10%左右。3.添加0.3wt.%的多璧碳纳米管对空心玻璃微珠/环氧树脂固体浮力材料的密度影响不大,但是当空心玻璃微珠含量为70vo1.%时,由于混合物粘度升高,试样制备过程中气体不易排出,形成气孔缺陷,使材料的实际密度小于理论密度。碳纳米管具有良好的强化效应,使空心玻璃微珠/环氧树脂固体浮力材料的压缩强度提高了17～25%,而碳纳米管阻碍裂纹的扩展是压缩性能提高的主要原因。由于碳纳米管和空心玻璃微珠的疏水性,固体浮力材料的吸水性随着碳纳米管的添加以及空心玻璃微珠含量的升高而降低。固体浮力材料中的气孔缺陷会导致材料吸水性大幅升高。4.添加多壁碳纳米管作为碳源,采用原位熔铸法制备了TiC增强Ti6A14V复合材料。多壁碳纳米管的添加影响复合材料的凝固过程,可以减小晶粒尺寸,改变复合材料的凝固过程,抑制TiC枝晶的形成,TiC颗粒形貌由粗大的枝状晶或等轴晶转变为细小的等轴晶颗粒或长条状。添加多壁碳纳米管作为碳源试样的抗拉强度与未添加多壁碳纳米管的试样相比提高了10.6%,而伸长率由1.41%降低至1.04%。形成的大部分TiC颗粒在主要在晶界处呈非连续排列,基体被TiC颗粒割裂开,导致裂纹沿晶界扩展,试样断口呈现为沿晶断裂。TiC颗粒的拔出和断裂现象是阻碍裂纹扩展,从而起到增强效果的主要原因。