碳纳米管和石墨烯自被发现以来就引起了科技界和工业界的广泛关注。从理论上讲,碳纳米管和石墨烯可以构建太空电梯和微纳米机器人,因此碳纳米管和石墨烯担负着革新材料界的历史使命。另外,碳纳米管和石墨烯的物理特性十分优良,它们是复合材料增强体的最佳选择。当蜂窝状的石墨烯对离子进行“过滤”时,它犹如一张滤纸对离子具有选择性透过作用,它有望成为新型的离子筛。分子动力学方法可以准确地模拟较大规模的原子体系在力和电场下的动态特性,可以输出模拟体系中任意原子的运动轨迹。分子动力学模拟方法使直观认识材料物理特性成为可能。因此,本文选用分子动力学方法,研究碳纳米管纤维/聚乙烯复合材料的界面力学性能、石墨烯/聚乙烯复合材料的界面力学性能以及电场作用下石墨烯和离子的相互作用,具体研究内容如下。(1)探究碳纳米管纤维/聚乙烯复合材料的界面力学行为和断裂机理。研究发现碳纳米管纤维和聚乙烯复合材料体系在拔出过程中的能量是守恒的;碳纳米管纤维的结构参数是影响其复合材料界面粘结强度的关键参数;同时,我们注意到纺丝加捻会削弱周边碳纳米管和中间碳纳米管之间的界面粘结强度,碳纳米管纤维和聚乙烯之间的界面粘结强度也会因加捻而有所降低。(2)研究石墨烯/聚乙烯复合材料的界面断裂过程。研究发现,具有一定晶格结构的聚乙烯基体是各向异性材料,按裂纹的扩展方向分类,界面裂纹可分为法向裂纹,剪切裂纹和扒皮裂纹。这三种模式的裂纹的界面粘结强度的强弱顺序为法向裂纹大于扒皮裂纹大于剪切裂纹,这三种模式的裂纹的界面剪切力都集中在裂纹尖端,界面破坏过程都是可逆的。(3)模拟石墨烯和离子在电场作用下的相互作用。研究发现,在强电场作用下,氢离子和氟离子可以很容易地穿过石墨烯。在离子穿透过程中,石墨烯没有发生断键现象;在弱电场作用下,石墨烯像一道屏障,氢离子和氟离子都不能穿过石墨烯。氢离子和氟离子能否穿过石墨烯还与电场的作用时间有关,电场作用时间越短,氢离子和氟离子能穿过石墨烯时所需要的电压值越高,电场作用时间越长,氢离子和氟离子能穿过石墨烯时所需要的电压值越低。基于以上理论,可以设计石墨烯离子筛。本文的研究意义在于,展现碳纳米管纤维和石墨烯复合材料的界面破坏过程,预测其界面强度;展现石墨烯和离子的相互作用行为,为石墨烯离子筛的开发提供理论支持。