纳米材料(nanomaterials)是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或者由它们作为基本单元构成的材料。由于纳米材料的尺寸达到纳米级，常常会表现出原来大尺寸材料所不具有的性能。碳纳米管、石墨烯结构完美、尺度小、密度低，具有优异力学和物理性能。这些特性使其在材料增强、纳米器件等领域获得广泛的应用。分子动力学方法可以得到原子的运动轨迹，还可以观察到原子运动过程中各种微观细节。本论文主要利用分子动力学方法研究碳纳米管与石墨烯及其纳米结构的力学行为。主要内容包括以下几个方面：（1）研究单壁碳纳米管的多稳态问题，发现单壁碳纳米管在直径超过一定阈值后的两种新稳态，改变了通常认为单壁碳纳米管在直径超过一定阈值后仅存在两种稳态—圆筒状和扁带状的认识，并发现各稳态之间在外载或温度作用下可以相互转换。（2）构建两种基于碳纳米管的三维纳米结构：轴向连接与径向连接的碳纳米管三维纳米结构。利用第一性原理对其稳定性进行了验证，并对其拉伸、压缩力学性能进行了分子动力学预测。小直径碳纳米管组成的三维纳米结构可以用作复合材料的增强体；大直径碳纳米管组成的三维纳米结构是一种很好的纳米多孔材料，从而在理论上为制备该种材料提供了启示和方向。（3）设计一种由短内管坍塌状态的双壁碳纳米管或多壁碳纳米管组成的具有双稳态特性的纳米系统，并对该纳米系统的力学性能进行了表征。发现这种双稳态是在碳纳米管外管管壁自身的刚度和内管外管间的范德华力的共同作用而形成的,该系统的双稳态特性使其可以用作RAM（Random access memory）器件等。（4）研究石墨烯的折叠性能，发现当折叠石墨烯带的一端时，石墨烯带的其他部分也会在范德华力作用下折叠起来；分析了开放端部和封闭端部等条件对多层石墨烯的折叠状态的影响，发现石墨烯端部状况对多层石墨烯折叠的最后构型有很大影响。（5）研究碳-铜复合材料界面的断裂力学性能，在原子级别对碳-铜复合材料界面裂纹扩展机理进行了研究分析，对碳-铜复合材料的界面强度、内聚能进行了预测。利用分子动力学方法得出碳-铜复合材料界面的内聚力参数，进行了内聚力有限元（CFEM）分析，并与经典断裂力学理论进行了对比。