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环氧树脂具有良好的粘结性能与化学稳定性,在工程领域具有广泛应用。但是环氧树脂韧性较低、抗冲击性差、热导率低（0.2W/mK）,这也极大地限制了其在航天航空、电子封装等关键领域的高端应用。通过添加填料对环氧树脂进行改性是提高其强度、导热性能的常用方法。在众多填料中,石墨烯具有独特的二维结构与卓越的物理性能,理论上被认为是一种理想的增强聚合物力学与热学性能的纳米填料。但是,石墨烯/环氧树脂复合材料强度、热导率的实验值远低于预期的理论值。现有研究推测其主要原因可能与石墨烯本体缺陷、石墨烯与环氧树脂的界面力/热学性能有关。由于对上述推测缺乏有效的实验验证方法,影响石墨烯/环氧树脂复合材料力/热性能的机理还并不清晰。为此,本文采用模拟方法对石墨烯本体缺陷、石墨烯与环氧树脂界面性能以及其复合材料的力学与热学性能进行了研究,具体工作与结果如下:首先,建立了含不同缺陷类型/浓度的石墨烯分子模型,研究了温度、应变速率、尺寸以及缺陷对其力学与热学性能的影响。结果表明,石墨烯力学与导热性能会随着温度的升高而降低。通过计算应变速率敏感指数,发现其力学性能沿锯齿形方向比沿扶手椅方向对应变速率更为敏感。同时石墨烯的热导率与长度遵循幂率关系λL0.28,长度的增加能激发更多声子振动并有助于热导率的提高。当石墨烯引入缺陷后,即使在较低的缺陷浓度下,石墨烯的力/热学性能,包括杨氏模量、断裂强度、断裂应变与热导率,均会显著降低。缺陷的存在也会降低石墨烯热导率对温度的敏感性。在此基础上,通过模拟石墨烯从环氧树脂基体中被拨出的过程,研究了石墨烯与环氧树脂之间的界面力学性能。考虑两类典型分离方式,即法向分离与剪切分离,分析了典型缺陷对界面力学性能的影响。研究发现,空位缺陷会降低界面粘接与剪切强度,而引入Stone-Wales（SW）缺陷可以有效地提高界面强度,其主要增强机制是含SW缺陷的石墨烯与环氧树脂之间的吸附能量更大,缺陷的存在可以增加界面间π-π相互作用力,从而具有更好的界面载荷传输效率。此外,与良好分散状态下相比,石墨烯的团聚会降低界面剪切强度。同时,建立了石墨烯/环氧树脂界面导热模型,采用非平衡分子动力学方法研究了尺寸、典型缺陷对石墨烯与环氧树脂之间界面热学性能的影响。结果表明,SW与多原子空位缺陷能有效地增强界面热导。通过计算对比有/无缺陷石墨烯与环氧树脂之间的声子振动功率频谱揭示了其增强机制,缺陷的存在会加强石墨烯与环氧树脂声子振动频谱的重合程度,特别是在低频部分（即石墨烯面外声子振动）,从而增加界面热导。基于上述结果,研究了石墨烯/环氧树脂复合材料整体的力学与热学性能。通过模拟单轴拉伸、简单剪切等变形方式得到应力应变曲线,分析了温度、石墨烯分散状态、体积分数以及缺陷对复合材料力学性能的影响。结果表明,由于石墨烯自身力学性能与温度的相关性,复合材料的力学性能会随着温度的升高而降低,同时随着体积分数的增大,其对温度的敏感性也有所增加。在引入SW缺陷后,复合材料的拉伸模量与面内剪切模量会由于石墨烯力学性能的降低而下降,但是其沿纵向的剪切模量会随着SW缺陷浓度的增加而增大。其主要增强机制是:一方面SW缺陷会使得石墨烯表面褶皱程度增加,粗糙度变大,有效地阻止在纵向剪切变形过程中石墨烯与环氧树脂之间的滑移;另一方面,通过对复合体系界面能量的计算可知,SW缺陷能有效地增加石墨烯与基体之间的相互作用能,提高复合材料力学性能。通过有效介质理论模型计算发现,增大石墨烯的尺寸、体积分数以及提高与基体间的界面热导均能有助于复合材料热导率的增加,其中体积分数占主导因素。结合界面热导的计算结果,研究发现,尽管SW缺陷会降低石墨烯自身的热导率,但当石墨烯尺寸小于某一临界值时,由缺陷引起界面热导的增加会使得含缺陷的复合材料热导率高于不含缺陷的复合材料。复合材料的热导率会随着石墨烯尺寸的变化,出现从“界面主导”到“填料主导”的转变。本文采用模拟方法从石墨烯微观结构、与环氧树脂的界面性能方面研究,探讨了影响石墨烯/环氧树脂复合材料力/热性能的因素及相关机理,对指导石墨烯自身缺陷以及界面性能的调控具有重要意义,也为石墨烯/环氧树脂复合材料的开发与设计提供新的思路与参考。