以碳化硅为代表的先进陶瓷材料凭借高杨氏模量和高抗压强度等良好的力学特性,使其无论在传统工业领域还是新兴微电子领域都具有广阔的应用前景,但与此同时,碳化硅这类硬脆性材料,常因内部或者表面微裂纹,发生毫无征兆的突然破坏,对结构缺陷极其敏感的特点限制了其进一步的应用。另一方面石墨烯正以优秀的力学性能和超大的比表面积展现了作为增强相,可以显著增强脆性基体力学性能的巨大潜力。本文以石墨烯增强碳化硅复合材料为研究对象,结合微观尺度的分子动力学模拟和宏观尺度的有限元仿真,系统研究石墨烯对碳化硅陶瓷基体力学性能的增强效果和调控效应。论文主要工作和研究成果包括以下几个主要方面。首先,采用基于内聚力模型的多尺度分析方法,研究了碳化硅陶瓷材料中的裂纹扩展过程。分别运用分子动力学方法模拟了含裂纹的碳化硅晶体在拉伸和剪切载荷作用下的裂纹扩展过程,分析了微观尺度下碳化硅晶体裂纹的扩展机理,提取了描述裂纹扩展行为的牵引力与位移曲线,并转换成为内聚力参量,输入有限元仿真模型,完成了宏观尺度下碳化硅陶瓷晶体的三点弯曲仿真,从而建立了碳化硅陶瓷的微观结构与宏观力学性能之间的联系,揭示了碳化硅陶瓷脆性破坏的机理。其次,考虑到碳化硅陶瓷的脆性破坏机理,采用分子动力学方法模拟了石墨烯增强碳化硅复合材料的单轴拉伸力学性能。通过改变界面接触类型、石墨烯层数、石墨烯分布形式、温度效应和预制裂纹尺寸等参数,分析了这些因素对复合材料单轴拉伸力学性能的影响。通过对比发现,石墨烯对碳化硅陶瓷基体的增强效果不仅取决于石墨烯的体积分数,也与界面接触类型密切有关,还对石墨烯分布形式具有依赖性。对于体积分数相同的石墨烯增强复合材料,均匀分散布置的增强效果明显优于密集堆垛分布。另外,还探究了石墨烯的引入对碳化硅基体裂纹扩展的影响,模拟结果表明,石墨烯通过阻止裂纹贯穿方式有效提高了复合材料的塑性变形能力。最后,运用分子动力学方法模拟了石墨烯增强陶瓷复合材料梁的三点弯曲力学性能。与纯碳化硅梁的弯曲破坏性能相比,石墨烯和碳化硅基体的协同作用能够显著提高复合材料的弯曲力学性能,通过改变复合材料中石墨烯的嵌入位置,发现石墨烯增强相承载能力的发挥程度和对碳化硅裂纹尖端应力集中的削减能力是关键因素,对复合材料的弯曲力学性能具有决定性影响。此外,还分析了石墨烯增强复合材料纳米梁的弯曲力学性能对跨高比的依赖关系,随着跨高比的增加,梁的表面效应逐渐减弱。本文研究成果拓展了石墨烯增强纳米陶瓷复合材料力学性能的研究领域,主要表现在两个方面。第一,尝试了多尺度模拟与分析,论文基于内聚力模型成功地将分子动力学模拟和有限元仿真结合起来,顺利实现了对碳化硅陶瓷基体脆性破坏机理的研究。第二,在原子尺度详细分析了石墨烯的引入对碳化硅陶瓷基体力学性能的影响,全面研究了此类新型复合材料在不同力学载荷作用下的响应和变形机理,从而为石墨烯增强复合材料力学性能的优化提供了一定的理论指导。