碳纳米管、石墨烯、多孔碳等碳纳米材料因其特有的结构特性(如超高长径比、狄拉克点、高比表面积等)而具有优异的力学、电学、热学性能。以碳纳米材料为基本结构单元所获得的宏观结构材料,因基本结构单元间(如管与管间、片层间等)作用方式的差异,可呈现不同的宏观性能;结合碳纳米材料本征的性能优势,有望在减震缓冲、能量存储、柔性电子器件等诸多领域超越传统材料,提升应用质量。本论文展示了以碳纳米材料组建的宏观材料中,结构设计对其力学、电学等宏观性能的影响;通过对微观结构与宏观性能间构效关系的解析,调控基本结构单元间的作用模式,实现最终性能的优化。主要研究内容及成果如下:(1)利用一维碳纳米管为基本结构单元,采用水辅助化学气相沉积法合成了碳纳米管缓冲材料,并研究了该材料在1-3m/s速度冲击下的力学响应和能量耗散机制。结果表明,碳纳米管缓冲材料在如上冲击速率范围内的能量耗散可达0.82 J/kg,是聚氨酯海绵的4.3倍。微观结构表征显示,该材料具有弯曲与垂直碳纳米管相间排列的结构特征;垂直的碳纳米管管束作为支架提高了材料机械强度,而弯曲的碳纳米管通过范德华力与垂直管束形成大量的管间结合,并在冲击作用下相互分离,通过克服管间结合处的范德华力耗散冲击能量。(2)利用二维石墨烯为基本结构单元,采用化学还原法并辅以对还原时间的控制合成了三维石墨烯网络,并研究了基于三维石墨烯网络制备的可拉伸应变传感器的感应性能。结果表明,该应变传感器具有优异的循环稳定性(300000次),并在0.1-5 Hz的频率区间及-45 ℃-180 ℃的温度区间内保持稳定响应。通过原位透射电镜观察发现,该石墨烯网络中交错搭接的石墨烯片层在外作用力下产生滑移,其接触面积也随外作用力的变化而改变,从而产生了应变传感器的电阻变化;并借助石墨烯网络在宏观结构上的形变将石墨烯片层的滑移控制在可逆范围内,以大幅提高应变传感器的循环稳定性。(3)利用尺寸均一的三维多孔碳为基本结构单元,采用“滴落-涂布”法,制备了三维多孔碳/PDMS复合应变传感器并研究了其感应性能。结果表明,该应变传感器在大变形下仍保持高灵敏度和快速响应,在高达80%的形变下可稳定循环10000次以上。通过观察该材料在外作用力加载、卸载过程中微观结构的变化发现,结构尺寸高度均一的多孔碳可在聚合物基质中均匀分布,其三维结构更抑制了相互团聚,减小了材料在大应变下的应力集中,从而有效提升了应变传感器在大拉伸应变下的循环稳定性。(4)利用含有氮、硫元素的多孔碳为基本结构单元,通过高温“氮、硫外掺杂”处理,获得掺杂量高且均匀分布的超级电容器电极材料。结果表明,该材料比容量可达360 F/g;在5 A/g的电流密度下循环10000次后仍保持92%的初始容量。通过X射线光电子能谱分析发现,该材料自含的杂原子可使碳晶格产生缺陷,形成结合能较低的活性位点;大量的活性位点不仅促进了后期“外掺杂”过程中杂原子的掺杂量,更有助于杂原子在三维体系中的均匀分布,从而大幅提升了其电容性能。