本论文详细阐述了分子动力学方法的基本概念和主要技术,并采用分子动力学方法和恰当的原子间相互作用势函数研究了若干纳米尺度下的力学问题,包括层间范德华力在双壁碳纳米管变形过程中的作用、金属填充单壁碳管的屈曲变形以及晶体缺陷对双晶金属界面力学行为的影响。自1991年被日本学者Iijima发现以来,由于其多方面的优异性质,碳纳米管吸引了众多的关注。人们使用实验技术、理论模型及计算机模拟等方法对其各方面的性质进行了广泛的研究。本文使用分子动力学方法,研究了双壁碳纳米管中层间范德华相互作用对碳管的力学行为的影响。首先,考察了非常规间距扶手椅型和锯齿型双壁碳管在单轴压缩载荷作用下的屈曲变形。计算结果表明,层间距变化带来的层间范德华力变化对管的屈曲变形产生了重要影响。某些非常规间距管具有优于常规间距管的压缩稳定性,且层间范德华力对不同手性双壁碳管的力学行为的影响是不同的。对单、双壁手性型碳纳米管而言,轴向应变会引起耦合的扭转变形。在压缩载荷作用下,手性型单壁管存在两个临界应变。在第一个临界应变处扭转开始松弛,并在第二个临界应变处恢复到无扭转状态。层间范德华力的存在从本质上改变了手性型双壁管中外管的变形耦合机制,其外管的两个临界应变由压应变一侧迁移到了拉应变一侧。另外,双壁管中内管的变形体现出了对管径的依赖性;而外壁管的变形则对半径变化不敏感。在碳纳米管内部填充金属能显著地改变管的输运、电子及力学性质,形成一些新颖的多功能纳米设备。金属填充碳纳米管在多相催化、纳米设备、电磁波吸收、高密度磁介质存储以及磁力显微镜的传感器等领域都有潜在的应用前景。本文研究了由单质金属及二元合金完全或不完全填充的单壁碳纳米管在轴向压缩载荷作用下的力学行为,系统地考察了金属填充比、管的几何参数(管径、管长和手性)以及合金组分和初始分布对金属填充管变形的影响。由于管壁的限制作用,内部金属团簇中的原子排列成同轴壳层的形式。对不完全填充管而言,团簇边界可以视为一种带来弱化效应的缺陷,另外金属原子对管壁的作用降低了管壁碳原子的自由度,增加了对管壁的约束从而提高了管的刚度。团簇边界效应和约束效应两者间的竞争决定了填充管临界屈曲应变随填充数目变化的整体趋势。填充管的屈曲模式也与对应的空碳管不同。通过对比不同金属完全填充管的临界应变值可以发现,在轴向压缩载荷作用下,镍填充管的压缩稳定性要比铜填充管和铂填充管好,而铂填充管则具有更好的后屈曲稳定性。由于内部金属的引入,填充管的变形机制要比空管复杂。填充管的临界应变对管长的依赖性大致可以分为四个线性阶段,伴随着临界长度处屈曲模式由局部到整体的转变。内部金属原子排列方式的演化与管长变化两种影响因素间的竞争决定了临界应变的整体变化趋势。短管的屈曲模式为管壁上带有小凹陷的局部屈曲,与宏观尺度下薄壳的屈曲模式类似;长管的屈曲则是整体向一侧弯曲,与欧拉杆的整体屈曲模式类似。对一组具有相同长度但是半径不同的扶手椅型填充管的模拟结果表明,临界应变首先随半径增大线性减小;然后在4%左右涨落,几乎不受半径变化的影响。这与空管的结论不同,空管的临界应变是随着半径增大而线性单调减小的。管径增大带来的弱化效应和金属原子施加在管壁上的约束带来的强化效应共同决定了临界应变随半径的变化规律。与具有同等长度和半径的锯齿型填充管相比,扶手椅型填充管的临界应变要低,但却更容易通过内部金属的填充来达到强度提升的效果。对由二元合金完全填充的单壁碳管而言,初始平衡状态下金属原子的排列方式受到组分金属百分比的影响。在Ni-Cu合金填充管中,当Ni的数目分数小于0.8时,观察到了金属原子的螺旋式排列。但是,当Ni原子的数目分数较高时,在Ni-Cu和Ni-Pt系统中,金属原子都以直线方式排列,并且在管中间有单原子金属链出现。在特定的组分区间内,合金填充碳管的临界应变可能高于由任一种单质组份金属填充的管。填充管的屈曲行为对金属原子在初始平衡状态下的随机分布有较强的依赖性。合金种类、组分及金属原子初始随机分布等因素共同决定了合金填充管的临界应变值。由合金完全填充的碳管的屈曲模式主要为带有分布式小凹陷的局部屈曲。对纳米尺度下的材料而言,由于位于界面附近的原子比例升高,导致界面对材料性质的影响愈发明显。在前面对金属原子间相互作用势函数理解的基础上,本文研究了金属界面的力学行为。使用分子动力学方法和嵌入原子势函数,以铜/铜双晶颗粒边界及铜/铝异质结合界面为代表,研究了几种晶体缺陷(点空位、线空位及裂纹)对同质及异质金属界面力学行为的影响。对铜/铜双晶颗粒边界的研究表明,界面区域的粗糙本质容易诱发应力集中,导致颗粒边界处是一个较弱的连接部位。晶体缺陷对界面力学行为具有强烈的影响。界面行为对某一种缺陷的依赖性在拉伸和剪切作用下是不同的。值得注意的是,一些缺陷拓扑可以改善界面的某些力学性质,如强度和断裂应变等。对铜/铝异质结合界面的研究表明,界面处的异质连接同样是一个较弱的部位,界面行为对缺陷种类及分布有明显的依赖性。含缺陷双晶界面的破坏方式主要是伴随着孔洞成核和长大的塑性断裂。在一些含缺陷界面的变形过程中,观察到了不全位错的萌生。