微纳米尺度力学测试技术的发展对微纳米器件的应用具有重要意义。由于微纳米尺度薄膜材料几何尺寸的限制,以及其力学、物理性质等与宏观块状材料有显著的不同,传统试验方法及测试理论已不能满足其发展需求。纳米压痕技术具有测试分辨率高、试样制备简单等优点,得到研究者的广泛关注,但随着新材料的不断应用,存在测试理论不全面、应用范围窄等问题亟待解决。本论文以完善不同薄膜材料体系的本构模型反演方法为目的,分析凸起效应（pile-up）对传统薄膜材料本构关系反演计算精度的影响。以线弹性模型为基础,通过纳米压痕接触理论,研究适用于粘弹性聚合物薄膜本构反演模型的新方法。随后,根据有序微结构材料的几何特点,系统建立光子晶体薄膜在纳米压痕接触下的力学分析模型,利用能量分布方法探索有序微结构、尺寸效应与力学参数的关系。具体研究内容如下:通过推导能量法、极限分析法以及五种典型材料的纳米压痕实验,系统研究了pile-up现象对硬度测试精度、弹性模量测试精度以及本构关系反演精度的影响。结果表明,pile-up现象对塑性变形较大的材料影响显著,采用Oliver-Pharr法的计算误差达到20%以上,可采用能量法等修正。同时,pile-up现象对本构关系反演模型的弹性区域和塑性区域后期有较大影响。通过对纳米压痕实验的有限元数值模拟,进一步验证了pile-up现象对荷载-位移曲线加载阶段后期及卸载阶段有明显影响。在线弹性接触分析的基础上,引入时间参量加载速率,采用Prony级数形式的广义Maxwell模型,推导出适用于粘弹性聚合物的本构关系反演模型。以聚酰亚胺薄膜材料为例,进行了2m N/s、1m N/s、0.5m N/s、0.1m N/s、0.05m N/s五种不同加载速率下的纳米压痕实验,通过计算P2（t）和h（t）的关系,拟合得出不同速率下的蠕变参数,进而获取粘弹性本构反演模型。结果表明,采用模型拟合得出的曲线与动态热力学（DMA）蠕变试验所计算出的曲线一致,证实了基于纳米压痕技术的粘弹性本构关系反演模型的合理性。同时,利用反演模型得出的拟合加载曲线,与实验所得加载曲线基本一致,而且加载速率越大,拟合加载曲线与实验加载曲线越吻合。通过输入模型参数进行蠕变试验的有限元仿真,进一步证实了粘弹性聚合物本构反演模型的有效性。利用垂直沉积法制备了排列有序、粒径均一的SiO2光子晶体薄膜,通过分析光子晶体材料有序微结构的几何特点,系统建立了光子晶体薄膜在纳米压痕接触下的有限元力学分析模型。结果表明,有限元仿真曲线和实验曲线趋势一致,数值误差较小,证实了几何模型及本构模型的合理性。同时,对不同压入位置进行数值模拟:随着压入位置从球形顶点过渡到两微球之间,薄膜的硬度和弹性模量有增大的趋势。通过能量法解释了压头所接触区域的变形行为以及不同压入位置力学参数出现变化的原因。利用微球粒径分别为326nm、348nm、437nm、470nm、538nm的SiO2光子晶体薄膜,系统研究了有序微结构、尺寸效应与力学参数的关系。结果表明,硬度和弹性模量随着微球粒径的增大而逐渐变小,呈现出与多晶材料类似的尺寸效应,且硬度随粒径尺寸变化的分布规律符合Hall-Petch经验准则。根据弹性功、塑性功与总功的能量分布方法,提出了解释尺寸效应的双阶段变形模型。模型指出,第一阶段是光子晶体中SiO2微球自身的变形;第二阶段是光子晶体材料中微结构的变形,有效的解释了硬度和弹性模量随着微球粒径的增大而逐渐变小的尺寸效应。同时,对不同微球粒径尺寸的光子晶体材料进行了仿真计算,验证了双阶段变形模型的合理性。