分层是限制层合复合材料应用的主要因素。为了增强复合材料沿厚度方向的力学性能和增强层合复合材料的层间韧性,编织、缝合及铆钉等技术通过在层合复合材料厚度方向上加入增强纤维线来解决分层问题,并取得了不错的效果。但是这些技术不可避免的对原有的复合材料纤维束造成损伤,降低材料的面内性能。在复合材料树脂基体中加入纳米级的增强体材料来增强复合材料基体的力学性能成为进一步研究的必然选择。　　学术界展开了用碳纳米管作为增强体在宏观尺度上增强复合材料的层间结合强度的研究,纳米材料技术开始尝试制备含有可贯穿层间的碳纳米管复合材料。　　近年来,纳米针和纳米线被接枝在碳纤维的表面,利用碳纳米管(CNT)优异的力学性能来增强碳纤维与树脂的界面强度,希望通过细观尺度上的性能改进来改善复合材料的面外性能。化学气象沉积(CVD)方法能在碳化硅纤维布的表面生长排列整齐的碳纳米管束,碳纳米管的长度到达60μm,可以直接增加复合材料的层间韧性。该纤维布制成的层合材料,经过末端刻痕弯曲实验(ENF)和双悬臂梁实验(DCB),证实了长碳纳米管对材料层间韧性的大幅改善。化学方法,如用酰胺键和聚酰胺-胺大分子(PAMAM)将碳纳米管连接在碳纤维表面,该种增强纤维的界面性能也得到了明显的改进。　　本文介绍了国内外的碳纳米管增强复合材料的研究进展,分析了碳纳米管增韧机制和效果,计算了碳纳米管拔出的拉力规律,总结了碳纳米管对纤维基体界面剪切强度的影响规律,并研究了碳纳米管大角度斜拔出断裂和碳纳米管横、纵裂纹断裂现象等问题。　　本文采用分子动力学(MD)模拟研究碳纳米管从基体拔出过程中碳纳米管和周围基体的相互作用。本文研究碳纳米管半径、长度和载荷条件对碳纳米管拔出过程的影响。文章建立了计算碳纳米管拔出拉力位移曲线的公式,并将这一规律与文献中试验结果对比,得到证实。　　本文用分子动力学模拟研究了含有碳纳米管的碳纤维界面代表单元的剪切行为,分析了多壁碳纳米管对界面剪切刚度和强度的提高作用。基于模拟结果建立了两个简单的混合率公式来预测含有碳纳米管的界面层剪切强度和刚度。单丝微滴脱粘试验和单丝段裂试验测得纤维原丝和含有碳纳米管的碳纤维丝的界面强度,并证实了本文提出的混合率公式的有效性。　　分子动力学模拟研究多壁碳纳米管有横、纵裂纹断裂的拔出行为,给出了多类可能的多壁碳纳米管横裂纹断裂拔出模式。模拟证明了在碳纳米管的拔出过程中碳纳米管表面的裂纹会产生应力集中,裂纹会张开和扩展,并导致碳纳米管断裂。碳纳米管表面微小的裂纹和缺陷,产生的应力集中不大。模拟同样证明碳纳米管拔出过程中存在剑鞘拔出模式,会卸载碳纳米管拔出拉力。碳纳米管的断裂和损伤会大幅减小碳纳米管拔出提供的增韧能力。　　分子模拟同样研究了碳纳米管斜拔出角度对碳纳米管拔出拉力的影响。模拟发现碳纳米管大角度斜拔出(≥45°)会碳纳米管更容易断裂。模拟同样证明了斜拔出过程中碳纳米管横截面会被压缩成椭圆形,碳纳米管在斜拔出过程中会损失部分抗弯刚度。模拟还给出了碳纳米管拔出吸收的能量和斜拔出角度的关系曲线。　　连续力学的有限元模型同样被用于衡量长碳纳米管在分层韧性试验中的增韧作用。结合碳纳米管拔出的拉力位移曲线规律和双悬臂梁试验Ⅰ型分层裂纹扩展的有限元力学模型,模拟研究了碳纳米管阻止复合材料层合板层间裂纹扩展的机制,力学模拟计算了长碳纳米管拔出对裂纹扩展的增韧作用,对比了文献中的实验结论。用该模型还分析了层间长碳纳米管的长度、半径、面密度和裂纹扩展速度等要素对分层韧性的影响。