通过近几十年来对纳米材料的研究,科学家发现纳尺度的许多物质都会表现出奇特的物理、化学、力学性能,这些特性预示着纳米材料会在不远的将来改变人类的生活。由于纳米材料的力学行为与传统宏观及传统微观材料都有很大的差异,深入研究并充分认识纳米材料全新的力学特性对于纳米器械的设计、纳米机电系统的开发与应用是必不可少的。分子动力学方法以其使用方便、成本较低、结果直观的优势成了研究纳米材料力学性能的重要工具之一。本文用分子动力学方法模拟研究了纳米石墨晶体的高压相变、纳米碳管的径向力学性质、纳米碳管的旋转摩擦特性、纳米碳管振荡器和纳米碳管轴承的工作机理以及纳米铜晶体的力学行为。主要研究内容与学术贡献如下:1)研究了纳米石墨晶体在均匀单向压力与非均匀压力两种不同压力作用下的相变机制,阐明了应力水平对相变的影响。在平板提供的c向均匀压力作用下,～3GPa的压力就会使邻近的石墨层间产生新的σ键,部分石墨转变为含有sp2与少量sp3杂化的无定型碳相。但是这种无定型碳结构很不稳定,随着压缩变形量的增大无定型相会转换回石墨相。在压力增大到～400GPa时,石墨层由平层转变为折曲层,并且各石墨层自动调整为ABC堆垛顺序,形成介于菱方石墨与立方金刚石之间的中间过渡结构。当压力继续增加到800GPa以上时,石墨内重新产生层间σ键,至～900GPa时层间σ键快速增多,形成高压下的立方金刚石结构,并且卸载后这些层间σ键不能全部消失,从而得到具有金刚石结构的持久的超硬碳相。在球形压头提供的非均匀压力作用下,当压力增大到～36GPa时,石墨晶体内才出现第一个层间σ键。随着压力的增大,新的层间σ键不断出现,形成复杂的无定型碳相,在压应力达到～100GPa时,石墨中的无定型碳相就转变为永久的金刚石结构。关于石墨高压相变机制的研究结果解释了2003年SIENCE报道的石墨压裂金刚石的paradox.2)提出了一种通过分子动力学模拟确定层状纳米材料硬度的方法,基于这种方法研究了纳米碳管的径向力学性质,发现纳米碳管的径向变形可以分为刚度和硬度都非常小的软弹性变形阶段和刚度大得多的硬弹性阶段以及变形无法恢复的塑性变形阶段。在软弹性阶段,碳管可以承受非常大的径向变形而径向硬度只有6～15GPa。当碳管的层间距减小到～1.9?以下,碳管迅速转变为硬度高达90GPa以上的无定型结构,并且这种无定型相可以在卸载后恢复为初始的碳管。当三壁碳管承受的非均匀压力超过～94GPa后,碳管内出现所谓的塑性变形,其特征是产生大量无法还原的sp3甚至sp杂化,碳管的初始构型被彻底破坏并转变为硬度高达120GPa的持久超硬相。研究结果与PNAS同时期报道的实验结果相符。而研究所发现的碳管的径向超弹性和超硬度的特性对碳管在强冲击、超高压等特殊环境下的应用具有指导意义。3)针对高速纳米器械的计算机模拟,以纳米碳管振荡器为例提出了分离原子机械运动与热运动的控温算法,并用这种控温方法研究了纳米碳管轴承的工作机理,探讨了双壁碳管的层间旋转摩擦性能。研究结果表明碳管的层间旋转摩擦是轴承转速、直径、柔韧性、温度等多种因素的综合表现。转速增加会引起内管原子承受的离心力增加及碳管层间距减小,使得层间相互作用加强、摩擦增加;离心力和热运动都会激发碳管的柔性变形从而极大地增加碳管的旋转摩擦;直径大的碳管旋转时要承受更大的离心力,并且大直径的碳管径向刚度比小直径碳管的低,因此大直径碳管轴承内的摩擦相对较大。研究还发现在低速旋转阶段,碳管的层间摩擦极低,纳米轴承表现出超润滑、无磨损的优异性能。4)对纳米铜晶体的力学行为尤其是晶界与空穴对铜晶体力学性能的影响作了初步的研究。研究发现纳米铜晶体中晶界对空穴沿界面的扩展起促进作用,但同时又在一定程度上阻碍空穴越过晶界向另一晶粒扩展。空穴的存在会降低铜晶体的强度,并且空穴离晶界越近晶体强度越低。