纤维增强复合材料（Fiber reinforced polymer,FRP）通常由基体和纤维增强体两大部分组成,其中基体将增强体粘合在一起,在增强体之间传递荷载,保护纤维增强体免受化学侵蚀、磨损等,而增强体有助于提高复合材料的承载能力。纤维增强复合材料在强度、刚度、抗疲劳和抗冲击性等方面具有优异性能,在汽车工业、建筑行业、体育器材、航空航天等工业领域已有应用。纤维增强复合材料在航空航天领域的应用虽然只占较少的一部分,但是在保证极端工作环境下的安全性和最佳性能方面,它代表了该领域最先进的技术。然而纤维增强复合材料由于层间力学性能远弱于面内性能,使得纤维增强复合材料在实际工程运用中面临越来越多的挑战。纤维增强复合材料的宏观层间性能与纤维和基体之间的微观界面性质有着密切关系。纤维与基体之间的界面区域在纤维增强复合材料的力学行为中起着非常重要的作用。为了增强复合材料的层间性能,人们尝试在纤维增强复合材料中引入纳米级填料改善其界面性能。由此多尺度复合材料应运而生。目前,多尺度相增强复合材料中的纳米相按照其形态大致可分为三种:圆柱状纳米相、片层状纳米相和球状纳米相。本文主要基于内聚能理论建立了一套纳米相改性复合材料界面的强度模型,分别预测了三类典型形态纳米增强相对多尺度复合材料界面横向拉伸强度,定量描述了纳米相的形态参数和数量参数对多尺度复合材料界面强度的影响,并通过纤维束复合材料实验和有限元仿真验证了模型的合理性。本文的研究成果对指导多尺度复合材料的制备具有重要的参考意义。具体表现在:（1）本文基于内聚能理论建立了三种典型形态纳米增强相（碳纳米管（高长径比纤维状）、富勒烯（球状颗粒）、石墨烯（片层状））的拔出强度模型。通过纳米相与基体之间的势能变化关系,求解了纳米相与基体之间相互作用力随纳米相与基体相对距离的变化关系,定义了纳米相的临界拔出力的大小等于纳米相的最大相互作用力。该模型量化了纳米相形态参数对临界拔出力的影响,并通过已有的碳纳米管拔出实验数据验证了临界拔出力模型的合理性。并根据纳米相的临界拔出力模型建立了多尺度复合材料界面在正应力作用下的粘接强度模型,定量描述了不同形态纳米相对多尺度复合材料界面的增强效果,预测了多尺度复合材料界面的横向拉伸强度。（2）为了验证多尺度复合材料界面粘接强度模型,本文通过硅烷偶联工艺分别制备了含有碳纳米管、富勒烯和石墨烯的多尺度复合材料,并采用纤维束复合材料横向拉伸测试技术和数字图像相关法测试表征了界面的粘接强度,并系统的比较分析了这三种纳米相改性的纤维束复合材料试件在测试过程中的应力-位移曲线、试件裂纹扩展速率、试件断口微观形貌特征。根据实验测得的结果与模型预测结果的对比发现预测结果与实验测试结果有很好的一致性,证明了在统一理论框架下基于内聚能理论建立的模型的合理性。虽然单个碳纳米管和石墨烯的临界拔出力大于富勒烯,但在相同体积含量条件下,富勒烯由于体积最小导致数量最多,在界面处产生的合力反而大于碳纳米管和石墨烯,使得富勒烯对界面的增强效果最优。