传统碳纤维的微观结构为多层石墨结构,这导致其理论最大强度存在一定的局限性,而近年来对高强纤维的需求正在飞速增长,传统的碳纤维很难满足未来工业、国防的需求,因此,为了突破传统碳纤维力学性能的天花板,本文利用分子动力学数值模拟方法以及分子结构力学理论多尺度探究了由具有超高理论强度的碳链以及碳纳米管构成的纤维结构的力学性能及其增强机理,并基于理论结果,采用实验方法制备了超强碳纳米管纤维。本文基于两种不同的碳链（Polyyne型和Cumulene型）分别构造了螺旋碳链纤维结构。通过分子动力学分析发现,纤维结构的力学性能与结构螺旋程度高度相关,且由于Cumulene型碳链受到拉伸时会发生相变转换成Polyyne型碳链,这一过程中,结构的强度大幅提升,其最大强度和杨氏模量高达1.77TPa和7.28 TPa,远高于目前自然界存在的任何材料。另一方面,结合分子结构力学,采用铁木辛柯梁模型,首次推导出了具有唯一解的铁木辛柯梁连续体模型泊松比方程,获得了碳-碳共价键连续体的杨氏模量、泊松比以及直径等参数。随后,结合螺旋碳链纤维的几何形态,构建出了碳链纤维的连续体模型。本文中的连续体模型不仅仅可用于碳链纤维结构力学性能的预测分析,也可用于分析其他螺旋结构的力学性能。本文采用全原子分子动力学模拟以及粗粒化分子动力学模拟方法,构造了双螺旋以及多级螺旋碳纳米管纤维结构,通过单轴拉伸模拟分析发现,碳纳米管螺旋纤维结构的力学性能不仅仅与结构自身的排列方式有关,还与相关的扭转方式和扭转程度有关,表明在实际应用当中,可以通过调控碳纳米管纤维结构的排布方式以及扭转参数来改变结构整体的力学性能进而满足不同的工程需求。此外,本文首次在纳米尺度下发现了平行双碳纳米管的自组装现象,并且发现了具有螺旋几何形态的碳纳米管纤维结构与基体之间具有超强的界面作用,表明螺旋纳米管纤维在复合材料领域具有很好的应用前景。目前实验室制备出的碳纳米管纤维多为随机分布的短纤维结构,因此,为了探究其力学性能及增强机理,本文构造了随机分布的碳纳米管纤维粗粒化模型,并采用粗粒化分子动力学数值模拟方法探究了其力学性能。结果表明,纤维内部碳纳米管间的纠缠能够有效提高纤维内部力的传递效率进而提升纤维整体的力学性能。而碳纳米管间的纠缠与碳纳米管自身的长度和弯曲程度以及纤维结构所受到的扭转以及压缩程度高度相关。另一方面,基于数值分析结果,采用化学气相沉积法制备了随机分布的碳纳米管纤维结构,并同样采取扭转和压缩操作,通过分析发现,碳纳米管纤维的拉伸强度随着扭转程度的增加而逐渐增加,除此之外,当对碳纳米管施加不同程度的压缩操作时,碳纳米管纤维的强度可进一步获得大幅提升,这与分子动力学模拟结果一致。值得一提的是,经过扭转和压缩操作的共同作用,获得了强度高达6.8 GPa的超强碳纳米管纤维。本文指出了随机分布碳纳米管纤维的力学增强机理,并分析了纤维结构在扭转和压缩操作下其力学性能的变化,为实验制备超强碳纳米管纤维提供了一定的理论指导。相比于碳纳米管自身优异的拉伸强度和杨氏模量,其15%-25%的延展性相对较弱。因此,为了改善碳纳米管这一不足,本文将传统的剪纸艺术与纳米尺度的碳纳米管结合,构造出了三种不同的碳纳米管裁剪多孔结构。通过分子动力学分析发现,碳纳米管裁剪多孔结构的力学性能与裁剪方式以及对应孔洞的几何参数高度相关,其延展性最高可达265%。该工作提出了一种全新的微纳米尺度下的结构设计方法,拓展了碳纳米管的应用范围。