由纳米填料和聚合物基组成的复合材料在工程上具有广阔的应用前景。这些纳米复合材料具有良好的多功能性,包括力学、压电和导电性能。纳米复合材料的力学、电学和压电性能对界面性质十分敏感。另外,由于纳米复合材料研究的空间和时间尺度可能超过9个数量级,宜结合多尺度方法来对纳米复合材料的性能进行分析。本课题采用分子动力学模拟探索以纳米复合材料界面为主的微观必要信息,随后将这些微观信息耦合进有限元模型,旨在通过多尺度方法来对纳米复合材料界面和整体性能进行精确分析。本文研究内容如下:本文首先对比研究了不同手性、直径下碳纳米管和氮化硼纳米管的拉伸力学性质。利用分子动力学构建了碳纳米管和氮化硼纳米管模型,并对其进行拉伸模拟,获得了典型应力-应变曲线、杨氏模量、破坏应力以及破坏应变。模拟结果表明:纳米管呈现非线性的弹性行为;在破坏应变方面,除了锯齿型碳纳米管,其余类型纳米管的性能随着直径增大均呈降低趋势,锯齿型碳纳米管的破坏应变远小于其余三类纳米管;在杨氏模量方面,扶手椅型碳纳米管性能最高;在破坏应力方面,随直径增大锯齿型碳纳米管的性能缓慢增加,氮化硼纳米管的性能呈缓慢降低趋势,扶手椅型碳纳米管的破坏应力远大于其余三者。总体而言,碳纳米管的力学性能优于氮化硼纳米管,但是锯齿型碳纳米管的破坏应力远低于其它类型纳米管,应当引起足够的重视。本文随后研究了氨基化碳纳米管/环氧树脂复合材料的界面增强机理。利用分子动力学构建了三个模型用于对比研究:（i）纯碳纳米管/环氧树脂界面模型;（ii）不考虑氨基基团与环氧树脂基体之间的交联作用的氨基化碳纳米管/环氧树脂界面模型;（iii）考虑氨基基团与环氧树脂基体之间的交联作用的氨基化碳纳米管/环氧树脂界面模型。随后对这三个模型进行拔出模拟以探究纳米管侧壁处的界面行为。开发了氨基在碳纳米管侧壁处滑移行为的模拟技术,并提出了利用解离能来校正共价键断裂长度。采用了界面剪切应力、拔出能、原子应力和位移等分析方法来探究纳米管侧壁界面性质。然后建立了碳纳米管端部/环氧树脂界面模型,对其进行牵引测试,以探究碳纳米管端部处的界面行为。模拟结果表明:在没有交联作用和有交联作用的情况下,功能化碳纳米管复合材料的最大界面剪切应力分别比原始碳纳米管/环氧复合材料提高了1195.8%和5660.8%;引入具有交联作用的氨基显著增强了碳纳米管与基体的相容性和协同性;在纳米尺度下,碳纳米管端部与基体之间存在较强的界面相互作用,为修正剪切滞后模型中纤维端部与基体之间无牵引力的假定提供了证据。本文还提出了一种预测碳纳米管-环氧复合材料弹性性能的多尺度框架。认为碳纳米管与环氧树脂之间的界面真空层可等效为横向各向同性弹性体。在分子动力学模拟中,根据相互作用的能密度标定弹性常数。结果表明,这些常数之间存在显著差异。面外剪切模量比面内杨氏模量小4个数量级。然后,利用有限元方法建立了包含横向各向同性界面的代表性体积单元,并与不含界面的模型进行了对比分析。结果表明,两者在杨氏模量增强比上的差异对碳纳米管的长宽比十分敏感。当碳纳米管长径比大于一定值时,含界面相模型的增强率较低。随着长径比的增加,这种差异继续增大。这种差异在高长径比时十分显著（长径比为30时为7.35%）。该框架提供了高效的界面模拟和更准确的体弹性性能预测,可以扩展到更广泛的纳米复合材料。本文最后建立了同时考虑横观各向同性界面层和碳纳米管端部界面完美连接的剪切滞后有限元模型。获得了模型的应力分布云图,计算出了碳纳米管的正应力-位置曲线和界面剪切应力-位置曲线。对含界面层模型和不含界面层的模型进行了对比分析,区分了载荷传递模式。剪切滞后模型的计算结果表明:由于界面层的面外剪切模量13较低,界面层导致了更大的载荷传递距离,降低了应力从基体向碳纳米管传递的效率。