碳纳米管纤维作为新型一维材料,因轻质高强的力学性能备受关注,近期的研究成果表明碳纳米管纤维在军事国防、电子工程以及仿生医疗等领域具有潜在的应用价值。由于碳纳米管纤维材料在工程应用中不可避免地需要处于复杂的加载工况之下,这对其强度、刚度、耐撞性和力学稳定性提出了很高的要求。因此,本文针对不同螺旋程度的碳纳米管纤维在不同加载应变率下的拉伸变形和破坏行为展开研究,分别基于自主搭建的原位SEM和微型霍普金森拉杆设备,系统地探索表面微结构和加载方式对碳纳米管纤维的韧脆转换机理和断裂模式的影响。首先,利用微尺度拉伸试验机,保持加载速率恒定,对具不同表面捻角的碳纳米管纤维进行准静态连续拉伸实验,通过对比纤维的应力-应变曲线来分析表面捻角对碳纳米管纤维弹塑性转换机制和破坏模式的影响。同时,辅助应力松弛实验分析了纤维黏性的时变机理,并借助SEM原位拉伸装置实时监测并验证了纤维表面微结构在变形演化过程中的时间依赖行为。由此,在低应变率范围(10-5s-1～0.1 s-1)内研究了碳纳米管纤维的应变率敏感行为,结果表明表面捻角越大的纤维,其拉伸模量越低、应力松弛程度越大、应变率效应越明显,存在明显的捻角依赖的应变率效应。其次,为了研究碳纳米管纤维的抗冲击性能,搭建了一台适用于微尺度纤维材料的改进式6mm霍普金森拉杆装置。由此测试了单股碳纳米管纤维的动态拉伸破坏行为,并与其准静态实验结果对比分析,探讨了其应变率效应和韧脆转换机理。其中,采用双股碳纳米管纤维分析了纤维的界面相互作用。最后,在实验结果的基础上,建立与表面捻角相关的经验公式,对纤维断裂应力和断裂应变的统计结果进行拟合,从理论上分析了加捻引起的致密强化和离轴弱化的竞争作用。将纤维的表面捻角、微结构的时间依赖行为和应变率效应考虑在内,借助数值方法建立了三元黏弹性模型,由此求解出了能够很好地预测碳纳米管纤维的断裂强度、变形行为和非线性响应的应力-应变方程。