碳材料拥有丰富的同素异形体,优异的力、热、电性能,被广泛用来充当功能材料的添加剂与增强剂。本文同时研究了石墨烯和碳纤维与高分子材料复合时的特性。石墨烯具有极好的导热能力,可作为高效的聚合物热导增强添加剂。但是由于石墨烯片层间存在很强的范德瓦耳斯力,导致石墨烯本身极易团聚。本文利用正电子湮没方法,并辅之以其他实验测试技术系统地研究了不同含量的石墨烯片层(rGO)在聚乙烯醇(PVA)中的分散状况、与聚乙烯醇分子链间的界面相互作用、对聚乙烯醇原子尺度自由体积特性和链段运动影响以及对聚乙烯醇导热性增强的微观机理。此外,我们提出了一种简易的制备交联碳纤维的方法,即直接碳化聚丙烯腈纤维会使得到的碳纤维出现交联结构。然后以这种交联碳纤维为骨架生长导电高分子材料聚苯胺,当其作为超级电容电极材料时表现出了优异的电化学性能。主要研究内容如下：1.石墨烯/聚乙烯醇纳米复合材料中热导率与自由体积的关系通过冷冻干燥的方法制备了多孔的聚乙烯醇/石墨烯复合材料,利用正电子湮没寿命谱技术,结合扫描电镜、透射电镜、红外光谱、热导率测试系统地研究了石墨烯/聚乙烯醇纳米复合材料中自由体积对热导率的影响。a. 当rGO/PVA纳米复合材料总石墨烯的含量较少(0.5 wt%)时,石墨烯在复合材料中的分散最好,随着石墨烯含量的逐渐增加,石墨烯的团聚程度逐渐增加。b. 红外光谱结果表明在rGO/PVA纳米复合材料中,存在氢键的相互作用。根据正电子湮没寿命谱结果中第二寿命分量的强度计算得到的界面相互作用因子证明,在石墨烯含量为0.5 wt%时界面相互作用最强。c. 由于石墨烯与聚乙烯醇分子间存在界面相互作用,导致高分子链段的堆积密度增大,自由体积减少。且由于含量为0.5 wt%的复合材料中石墨烯分散状况最好,界面相互作用最强,导致自由体积最小。d. 随石墨烯含量的增加,复合材料的热导率随石墨烯的含量以近线性的方式增加。为了解释导热增强的原理,我们用三种模型,分别为并联模型、串联模型以及Maxwell-Garnett有效介质近似(EMA),计算了复合材料的热导率,然后将计算值与实验值进行比较。用EMA理论计算得到的热导率与实验测得的热导率之间的差值与界面相互作用有密切关系,证明石墨烯分散的越好,与聚乙烯醇分子的相互作用越强,热阻越大。e. 我们得到了关于自由体积分数与复合材料热导率的直接关系,可表示为k∞e-ft/0.18,证明界面自由体积缺陷对于声子散射和复合材料的热导率有重要影响。2.交联碳纤维／聚苯胺纳米复合材料的电化学性能研究分别制备了具有交联结构的碳纤维与普通的碳纤维,并比较了其作为支架负载聚苯胺后的电容特性。a. 我们发展了一种简单的制备交联碳纤维的新方法,即通过直接碳化聚丙烯腈纳米纤维的方法可以得到具有交联结构的碳纳米纤维。而传统的制备通过预氧化和碳化处理的碳纤维不具备交联结构。我们对两种碳纤维的形貌结构、结晶性、缺陷特性以及导电性进行了系统地研究。拉曼光谱证明,与不交联的碳纤维(NCLCNF)相比,交联碳纤维(CLCNF)中碳的晶格尺寸更小,结晶性更差。正电子寿命湮没谱显示,在CLCNF中正电子平均寿命更长,证明其存在的缺陷更多。但四探针的结果显示,CLCNF比NCLCNF拥有更好的导电性,这说明交联结构对碳纤维的导电性有很重要的贡献。b. 另外,我们以两种碳纤维作为支架,用化学氧化聚合的方法,在其表面生长了导电聚合物聚苯胺(PANi),并将所得复合材料作为超级电容器电极材料,以比较两种碳纤维作为导电支架在负载活性材料时的性能差异。我们发现,CLCNF/PANi复合材料在800 A／g的电流密度下比电容为127 F／g。与在电流密度为0.5 A／g得到的比电容(259 F／g)相比,CLCNF/PANi复合材料的倍率性为49%,远高于NCLCNF/PANi复合材料的17%。同时,CLCNF/PANi复合材料为电极材料组装的超级电容器器件,在以10 A／g的电流密度充放电10000个循环后,电容值仍旧保留了75.3%,表明其循环稳定性很好。所有的以上结果都证明,我们制备具有交联结构的碳纤维的方法对于在储能领域如何制备及应用碳纤维具有极大的促进作用。