复合材料在航空航天、航海潜海、岛屿建设等国防高新技术领域有着广泛的应用，而碳纤维作为先进复合材料最重要的增强相之一，其性能决定了复合材料的性能，因而提高碳纤维的力学性能有着重要的现实意义，据此确定了本文研究的目的。本文主要研究聚丙烯腈（PAN）基碳纤维微观结构对拉伸模量和拉伸强度的影响。通过建立PAN基碳纤维细观力学模型对微观结构因素与拉伸模量间的关系进行研究；通过对PAN基碳纤维基本结构单元拉伸模拟对微观结构与拉伸强度和拉伸模量间的关系进行研究。　　主要研究内容如下：　　首先，基于PAN基碳纤维的二相细观力学模型，应用Eshelby等效夹杂理论和 Mori-Tanaka 方法得到 PAN 基碳纤维微观结构因素与其拉伸模量间的关系，并确定影响PAN基碳纤维拉伸模量的微观因素分别为：微晶取向度、体积分数、长细比。应用PAN基碳纤维的二相细观力学模型分析讨论了三种微观因素对PAN基碳纤维拉伸模量的影响，并对三种影响因素对拉伸模量影响的强弱进行了比较。通过该细观模型区分了同种微观因素对不同种类PAN基碳纤维拉伸模量影响的差异。　　其次，基于X射线衍射（XRD）和小角X射线散射（SAXS）实验结果及PAN 基碳纤维结构理论，提出了 PAN 基碳纤维是由微晶、微孔及无定形碳所构成的三相复合材料，建立了三相细观力学模型。应用 Eshelby 等效夹杂理论和Mori-Tanaka方法对拉伸模量进行了预报，得到了PAN基碳纤维微观结构与其拉伸模量间的关系。确定了影响PAN基碳纤维拉伸模量的因素分别为：微晶取向度、体积分数、长细比，微孔体积分数和长细比。应用PAN基碳纤维的三相细观力学模型分析讨论了五种微观结构因素对 PAN 基碳纤维拉伸模量的影响，并对五种影响因素对拉伸模量影响的强弱进行了比较。通过该细观模型区分了同种微观因素对不同种类PAN基碳纤维拉伸模量影响的差异。　　最后，以Reynolds-Sharp碳纤维结构模型为基础，利用分子动力学设计了六类 PAN 基碳纤维基本结构单元模型并对这六类基本结构单元进行了拉伸失效模拟，揭示了基本结构单元的微晶及无定形碳的缺陷处、微晶间界面和微晶与无定形碳间界面是裂纹的发生处，明确了微观结构因素和微晶、无定形碳、微孔的排布方式对力学性能的影响。