聚合物基复合材料因其比强度高、比模量大、功能可设计性强等诸多优点被大量应用在航空航天、交通运输等重要工程领域，广泛服务于人类的各项生产活动。然而，在实际工程应用中，由于载荷和结构的复杂性，往往会引发复合材料结构发生断裂失效。尤其是在爆炸、冲击等强动载荷作用下，复合材料的力学性能表现与准静态加载条件下存在显著的区别，而应力波带来的惯性效应也导致动态断裂失效过程远比准静态断裂复杂，因此研究复合材料在动态加载条件下的力学失效行为具有十分重要的学术意义和工程价值。于此同时，服役于如北极等高寒地区的复合材料结构还会面临表面覆冰的问题，如果不能有效去除积冰，势必会对复合材料在低温条件下的服役性能带来不利的影响。而碳纳米颗粒在增强复合材料力学性能的同时，还能够赋予所制备复合材料优异的多功能特性，为复合材料凭借自身功能特性解决表面覆冰问题，实现结构功能整体设计提供了便利。因此，本文针对复合材料在实际工程应用中遇到的问题，对不同类型碳纳米颗粒改善聚合物基复合材料断裂失效行为和表面覆冰问题进行了深入的研究，旨在寻找能够阻止复合材料内部裂纹失稳扩展的有效手段，同时探索高效解决复合材料表面覆冰问题的方法。论文的主要内容包含以下几方面：
　　(1)首先，采用曲拉通X-100非离子型表面活性剂处理碳纳米管颗粒表面，随后基于这种物理改性方式在环氧树脂基体内部构建了新型三维CNT@X+GNPs混杂增强体系，以此为基础研究了改性前后纳米颗粒单相和混杂增强复合材料在不同加载条件下的力学失效行为，建立了不同尺度纳米颗粒类型、含量、界面性质与复合材料宏观力学性能之间的内在关系，揭示了新型三维混杂填充体系在复合材料内部的协同增韧机理和一般设计原则。
　　(2)借助二维数字图像相关(2-D DIC)技术结合高速摄像机研究了物理改性前后复合材料样品在冲击加载条件下的动态断裂行为：评估了预制裂纹长度扩展历史，并通过实时裂纹尖端正交位移场提取到了复合材料Ⅰ和Ⅱ型应力强度因子历史。后续研究结果证实，T@X+G/EP_7/3型复合材料样品确定的Ⅰ型动态断裂起始韧性较纯环氧树脂基体增加超过200%，预制裂纹起裂时间推迟超过120%，与此同时，裂纹尖端平均速度降低了179%。
　　(3)复合材料样品加载失效后的微观形貌分析揭示了多尺度纳米颗粒在环氧树脂基体中的失效机理：(Ⅰ)一维CNTs颗粒以直接拔出失效为主；(Ⅱ)一维CNT@X颗粒则具有瞬间断裂以及先拔出后断裂两种失效模式；(Ⅲ)二维GNPs颗粒能够致使裂纹尖端偏转或自身发生层间失效；(Ⅳ)新型三维CNT@X+GNPs混杂增强体系则会导致基体发生大范围剪切变形，能够消耗大量断裂能。
　　(4)研究了CNTs/EP和CNTs/PMIA复合材料表面结冰后基于电热行为干扰冰-固界面黏附稳定性的主动除冰性能，分析了电热响应速率、温度分布均匀性与外加电压的内在关系，重点探讨了复合材料电热行为对覆冰强度和冰层脱落时间的影响规律。
　　(5)通过构筑仿生微柱结构，研究了SCNTs/PDMS复合材料结冰前、结冰时和结冰后“三线”疏冰性能，定量分析了不同润湿性复合材料表面水滴结核相变过程，揭示了基于电热行为和仿生表面的协同疏冰机制，为实现复合材料主被动疏冰一体化设计提供了新思路。