碳纳米管(CNTs)的长径比高,力、电、热学性能和场发射特性优异,与聚合物复合可极大地改善材料的机械性能和导电、导热性能,同时保留了聚合物材料的加工友好性。目前,除了提高CNTs在基体中的分散性和界面结合效果外,实现CNTs在复合材料中定向排列是一个挑战性的工作,它制约了CNTs在各向异性复合材料、纳米电子器件、场发射式显示器等领域的应用。论文采用了本课题组的专利技术,通过装备有四根阳极石墨棒的阳极电弧放电装置,连续、高效率地制备了碳纳米管及其管束。提纯时采用甲苯溶液萃取技术和混酸加热回流方法,去除了粗产物中的杂质,并实现了对碳纳米管的功能化,采用稀NaOH(aq)、稀盐酸和去离子水反复冲洗过滤的方法,去除了混酸回流过程中产生的碳质氧化碎屑。所得准直单壁碳纳米管(SWNTs)结构完整、直径均匀,约1.5-2.0nm,长度可达数微米,表面带有羧基、羟基等官能团,热稳定性明显提高,其DMF分散液可稳定存在2个月以上,整个纯化过程的产率约为60%。通过原位本体聚合工艺和碳纳米管延迟添加方法得到了分子量高、界面结合与分散性良好的SWNTs/PMMA复合材料,用于静电纺丝流程。搭建了附加有毛细石英管预定向部分的静电纺丝及有序收集装置,制备出超长SWNTs/PMMA复合纳米纤维,纤维表面光滑、排列整齐、连续性良好,直径最小可达70nm。实验条件下,最佳工艺条件是纺丝液浓度为8wt.%,外加电压为15kV,接收距离为10cm,筒状收集板转速为1500 rpm。测量发现8 wt.%的SWNTs含量可以使复合纤维的最大分解速率对应温度提高了62℃和电导率提高了10个数量级。发现并解释了复合纤维中碳纳米管Raman光谱特征峰的蓝移现象,修正了处于非完全定向排列纤维束中CNTs的Hermans取向因子计算公式,通过复合纤维的偏振Raman光谱结果计算得到了SWNTs的Hermans取向因子S=0.89,证明了SWNTs的高度取向一致性。分析了CNTs在电场、磁场、流场等物理场中的定向机理,并在实验参数下讨论了CNTs在毛细石英管内部poiseuille流中的受力与取向稳定性,以及CNTs在静电纺丝前端泰勒锥内部的取向分布特点,阐明了通过毛细石英管和静电纺丝工艺实现CNTs定向排列的可行性。