石墨烯作为一种二维纳米材料,以其优异的力学、热学等特性吸引了广泛的研究关注。由于其单层原子厚的几何结构,自由状态下的石墨烯表面随机分布着形态多样的褶皱结构。已有研究表明,褶皱作为石墨烯的一种本质属性,其分布位置和形态的随机性会对石墨烯的各种性能产生显著的影响,将褶皱规律化、周期化、可调控化,才能使皱褶石墨烯更具市场应用价值。在面内扭转作用下,石墨烯会产生螺旋线状的褶皱,这种与众不同的褶皱形态引起了学者的兴趣。然而目前为止,相关方面的研究比较缺乏。因此本课题关注了石墨烯螺旋线状褶皱的形成、调控以及应用三个方面,以分子动力学模拟为主要手段,结合连续介质力学理论,深入分析面内扭转作用下石墨烯的力学和热学特性。具体研究内容和成果如下:（1）结合连续介质力学和分子动力学（MD）模拟,我们对承受环形扭转的石墨烯褶皱形成机理和初始构型特征进行了跨尺度对比。我们首先建立了承受环形扭转薄膜的连续介质模型,通过求解von-Karman屈曲方程获得了薄膜临界屈曲扭矩、扭转角度、褶皱数目以及褶皱螺旋角度等参量的解析解,然后利用MD模拟计算了石墨烯承受环形扭转的相关力学响应数据,并将理论与MD模拟的结果进行了全面的对比分析。在面内扭转载荷作用下,石墨烯的临界屈曲褶皱数目及褶皱初始形态与连续介质薄膜的结果一致,表明二维材料扭转变形特征的跨尺度共性。进一步研究发现石墨烯和宏观薄膜材料的褶皱都是由剪切造成的局部压缩导致的,虽然临界扭矩和扭转角度依赖于薄膜材料的尺寸,但其变化规律相同,因此可以通过理论模型对石墨烯的屈曲行为进行定性预测,同时也表明本文MD模拟得到的石墨烯扭转变形特性能够适用于分析不同尺度二维材料的扭转响应。此外,我们还得到了石墨烯褶皱数目等参量与内外径的关系。这些结果对石墨烯纳米器件的精准控制具有重要参考价值。（2）采用分子动力学模拟方法研究了外边界与表面氢化对石墨烯扭转性能和褶皱属性的影响。在扭转性能方面,圆环状石墨烯的极限扭转角度随着外径的增加,出现明显的增长,而其极限扭矩保持不变;在褶皱特性方面,圆环状石墨烯的褶皱数目和螺旋角度随着外径的增加先下降,随后趋于稳定,而褶皱幅度则近似线性增长。与圆环状石墨烯的结果截然不同,椭圆环状石墨烯的极限扭矩受到外边界长短轴比R_ol/R_os以及外边界短轴与内径比R_os/R_i的耦合作用,当R_os/R_i较小时,极限扭矩随着R_ol/R_os的增加出现了明显的下降。通过对其应力分布与褶皱特性的分析我们发现极限扭矩的衰减主要是由发生在短轴附近区域的应力集中导致的,而这种不均匀的应力分布与褶皱特性的变化密切相关。表面氢化同样可以调控石墨烯的扭转性能和褶皱特性。氢化石墨烯的极限扭矩会随着氢化率的增加呈现奇异的V形变化趋势,这一现象与sp2键与sp3键强度的差异及键的不均匀分布引起的局部应力集中有关,并且同样适用于石墨炔等其他二维纳米材料。而表面氢化对褶皱幅度的调控机制较为复杂,受到材料晶格与几何尺寸的耦合影响。结果表明,石墨烯的褶皱特性和力学性能可以通过外边界形状和尺寸及氢化率等参数进行调控,该调控机制将为新型石墨烯纳米器件的开发提供有效的帮助。（3）采用非平衡态分子动力学模拟方法,我们研究了面内扭转调控石墨烯导热特性的规律和机理。石墨烯导热率随扭转角度的增加呈现Λ形变化趋势,最大值发生在螺旋线状褶皱刚刚出现的时刻,整个过程导热率的可调控范围达到初始值的15%。通过系统地研究石墨烯的表面特征和声子谱,我们发现其导热率的变化主要受到表面光滑度、应变以及晶格失稳三个因素的控制。当扭转角度较小时,随着扭转角度的增加,石墨烯逐渐绷紧,表面光滑度增加导致声子散射减小,导热率上升;当扭转角度较大时,逐渐增大的应变以及螺旋线状褶皱引起的晶格失稳使得导热率开始下降。这种导热率的调控机制同样适用于石墨炔等其他二维纳米材料。