在自然界中,有许多基于整齐密实排列的结构而表现出卓越性能的材料,如蜘蛛丝、贝壳等。另外单根碳纳米管优异的固有性能已被广泛应用在众多领域,但从实际角度出发如何将单根的碳纳米管组装成具有可宏观使用,并且保持原有性能的三维网络碳纳米管材料是一个令人值得思考的问题。基于仿生的思想,将定向排列与三维网络结构结合,探究微观结构搭建方式、孔径的大小对材料力学性能的影响规律具有十分重要的应用价值。对此本文研究制备了具有定向结构的碳纳米管气凝胶,对其进行微观形貌、力学性能等表征测试,根据微观形貌在有限元模拟软件ABAQUS中对不同几何和结构参数进行模拟计算,探究不同参数对强度的影响关系。首先采用定向冷冻的方法,对碳纳米管气凝胶的制备方法和工艺进行实践性研究。通过胶体分散理论,制备了均匀分散的羧甲基纤维素钠-碳纳米管溶液,结合定向冷冻干燥、高温碳化的方法进而获得了碳纳米管气凝胶。在制备过程中对羧甲基纤维素钠的浓度用量和超声时间、高温碳化的温度,升温速率等参数进行设计和改进。通过扫描电子显微镜(SEM)对碳纳米管气凝胶的微观形貌进行表征,X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱对碳纳米管气凝胶的结构、成键方式进行表征,材料万能试验机对碳纳米管气凝胶进行力学性能检测。随后根据碳纳米管气凝胶微观形貌的结构特点,在有限元模拟软件ABAQUS中以薄壳理论为基础,实现了对拱形单元、六边蜂窝单元构成的方形结构静力作用的模拟过程。对于拱形单元,分析了圆心角θ、半径R、片层厚度δ三个几何参数对结构强度的作用关系,正交试验设计的结果表明,壁厚因素对强度的影响最为显著,并且探究得出应力应变曲线中产生迟滞现象的主要原因为片层间的摩擦作用。六边蜂窝单元构成的方形结构模拟结果显示,孔径较小时整体结构表现出的承载能力越强;重复单元壁厚增加,结构抵抗变形的能力越强,强度越高,与拱形单元得出的结论相一致;最后对比了等六边蜂窝和长六边蜂窝两个块体结构,相同应变下前者所需要的应力明显大于后者,由于前者的连接节点更多,具有空间位阻效应,当产生相同形变下所需要的载荷也更大、强度较高,结构也更加稳定,有限元模拟与实验结果得到较好地吻合。