部分聚合物及其复合材料在受外界激励（力场、温度场、电磁场、化学场等）作用后会发生变形或引发相应的功能响应，该类材料属于功能性聚合物。与传统硬质材料（如金属、陶瓷等）相比，聚合物通常具有变形大、质量轻、反应快和能量密度高等优点，在航空航天、智能仿生和新能源等领域有巨大的应用潜力。由于聚合物种类繁多，结构复杂且在实际应用过程中不可避免的受到多物理场作用，如何通过结构的优化改善其多场性能，是目前急需解决的问题。
　　本文以功能性聚合物及其复合材料为主要研究对象，采用微观力学方法，结合聚合物微观结构与粘弹性理论，拓展了聚合物的在多场条件下的理论研究。本文将分子链结构的大小从微观尺寸扩展至介观尺寸，并认为其物理性能、组合方式和结构形式等受到聚合物材料种类、几何形貌和内部填料的影响，基于此提出了拟分子链的概念;通过对单一物质的宏观物理现象进行分析，如应力-应变关系，温度效应等，重新定义拟分子链结构中链段结构的物理特性，建立了拟分子链模型。在此基础上，深入分析了拟分子链结构在力场、电场和温度场作用下的响应以及性能优化问题。本文开展了如下的研究工作:
　　首先，通过对Kelvin-Voigt模型进行重新组合，提出了一个拟桁架结构的粘弹性分子链模型，并对聚合物的力学性能进行了研究。根据聚合物类试件在单轴拉伸实验中的变形机理，考虑夹具作用与边界效应，将聚合物的实际变形等效为理想均匀形变与非均匀形变两部分。进一步，分析了不同尺寸试件在不同应变条件下的真实应力和测试应力，并定性定量探讨了几何尺寸、不同应变和不同预应力水平对真实应力的影响。最后，对试件的单步松弛试验、加载-卸载试验、拉伸-蠕变-松弛试验和多步松弛试验进行了数值模拟，结果表明该模型的模拟结果比Yeoh模型和Lochmatter模型的预测结果更为合理。
　　其次，通过类比聚合物的微观结构，采用拟分子链结构改进粘弹性模型，提出了基于分布概率密度函数的粘弹性拟分子链模型。该模型能有效的描述介电弹性体(Dielectric Elastomer，DE)的大变形力学性能。通过外加电压，并将其等效为麦斯威尔应力(Maxwell Stress)，可以实现聚合物的力电耦合。本文进一步研究了预拉伸、电压和几何特点对DE致动器力电耦合性能的影响。针对具有复杂几何尺寸或者复杂加载过程的DE致动器，探讨了其表面电荷的重新分布情况，并基于表面电荷密度重新计算了Maxwell应力。模拟结果表明，该方法对于剪切-拉伸试验也有较好的适用性。
　　再次，根据粘弹性拟分子链模型，定量分析了表面几何形貌、内部填料和局部变形对聚合物基复合材料的链结构分布规律的影响，并通过局部概率密度函数对外场作用进行了修正。在统计力学的基础上，结合局部拟分子链密度函数，完善了聚合物基复合材料的力电耦合模型。应用该理论，模拟了典型介电薄膜-VHB4910的拉伸试验和力电耦合试验;进一步研究了以钛酸铜钙(CaCu3Ti4O12，CCTO)增强聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)复合材料的力电性能，验证了模型的适用性。
　　此外，提出了包含温度效应的粘弹性拟分子链模型，并研究了形状记忆聚合物-(SMP)及其复合材料的形状记忆过程，对其形状记忆过程进行了优化设计。该模型的拟分子链结构由热部分和力部分组成:热部分和力部分的属性是通过类比形状记忆聚合物的宏观热力响应定义的。之后，通过计算拟分子链结构在不同温度条件下的瞬时弹性模量确定材料参数，且在该过程中考虑了如下变量，如:拟分子链长度、链段数和分布概率密度函数等。对典型的形状记忆材料-聚氨酯复合材料的热力耦合过程进行了数值模拟，并与实验数据比较，验证了模型的适用性。此外，通过改变模型的几何尺寸、交联密度和内部填充，对形状记忆聚合物及其复合材料的形状记忆效应进行了优化，结果表明，提高拟分子链的交联密度可以增强聚合物基复合材料的形状记忆效应。
　　最后，为了研究聚合物基复合材料薄膜的疏水性和渗透性，建立了一个由主链-辅链-填料组成的三相粘弹性拟分子链模型。在该模型中，重点考虑了内部颗粒对拟分子链的排斥和吸引作用，并借此优化了拟分子链的局部分布概率密度。为了探究水与拟分子链的作用，引入一个表征外场作用的全局函数，该函数可由拟分子链结构和属性唯一确定。基于此模型，研究了二氧化硅(SiO2)增强聚偏氟乙烯(PVDF)复合材料薄膜的综合性能，如:力学性能、疏水性和渗透性。最后，通过改变模型中颗粒的位置并分析颗粒对拟分子链的影响，讨论了复合材料薄膜在应用中的性能优化问题，以期为聚合物基复合材料的发展提供有效的理论工具。