木纤维是自然界中资源最丰富、性能最稳定、品质最优良的高分子聚合物,每年生长总量多达千亿吨。木纤维的主要成分是纤维素,其机械特性由晶态结构与非晶态结构所占的比例来刻画,其中规则的晶态结构决定了木材的弹性,非晶态结构决定了木材的灵活性与柔软性。然而,仅通过实验方法并不能完全理解木质纳米纤维素的纳观结构、机械性能以及材料的变形与破坏现象,本论文研究将纳米技术和分子动力学模拟引进到木材科学中,不仅扩宽了木材科学的研究领域,还使对木纤维的研究深度从细胞水平上升到分子水平。本论文考察了木质纳米纤维素的结构形态,采用强酸水解的实验方法选择性地降解掉无定形态的非晶体结构而得到纤维素晶体,再辅以机械作用分离出纳米纤维素,实验所制备的纳米纤维素结晶度高,在水分散体系中易形成稳定的胶状溶液,能在室温下长期放置而不会出现分层或沉淀现象。依据纳米纤维素的结构特点,本论文研究借助于美国密西西比州立大学的高性能工作站和集群计算机,建立了木质纳米纤维素中的两种晶态构型Iα和Iβ以及非晶态结构的可视化原子三维模型,采用周期性边界条件,提取初始状态的原了坐标、晶格长度、速度分布、环境状态等数据。在模型的系统能量达到最小化和热平衡后,采用开源代码LAMMPS编写拉伸变形模拟程序,模拟原子间的相互作用,记录纳观尺度下的原子应力以及运动规律信息,分析氢键断裂与重新结合对所建模型的影响。经过多次模拟,选取合适的仿真步长,在节省时间的同时也保证了计算的精确性,对实验数据结果采用MATLAB进行后处理分析,可视化开源软件Atomeye对变形过程进行可视化监控。提出一种新型的反应型力场ReaxFF势能函数对所搭建模型的平衡态结构进行分子动力学仿真模拟的方法,与以往的研究中采用的势能函数仅关注键的断裂,而无法分析键的再结合的方法不同,该势能函数的优势是通过描述键断裂与形成过程中键级的变化来描述模型的变形过程,结果表明,这对于分析木质纳米纤维素结构中碳、氢、氧原子在变形中的结构变化大有益处。通过分析所构建模型的仿真数据,得到木质纳米纤维素模型的表征参数,所得到的数据与文献中取得的结果相一致,说明采用基于新型反应性力场的分子动力学模拟方法,对分析含有碳、氢、氧元素的碳水化合物是可行的,并且研究结果具有可信度。建立拉伸变形过程的应力-应变数学模型,定性地分析了该数学模型与应变速率、分子链长度、分子链数目以及温度的关系,通过分析模型体系内部能量的变化和分子链构象的变化来解释说明纳米纤维素的变形行为和氢键变化。结果表明应力-应变数学模型具有聚合物典型的从线性到非线性的过渡态,包括弹性阶段、屈服阶段、应力软化阶段以及应变硬化四个阶段,由于观察到在原有氢键发生断裂的同时,有新的氢键重新结合,且很难恢复到原有状态,这说明在拉伸过程中,分子链之间发生了链滑移。本论文对木质纳米纤维素在分子模拟领域的研究进行了有益的探讨,是我国木材科学研究领域的跨学科交叉研究,为以木纤维为增强体的复合材料的研究和制造,以及制浆造纸行业提供有益指导,具有重要的理论和现实意义。