石墨烯(Graphene)，又称二维石墨，是继富勒烯和碳纳米管之后发现的又一种新型低维碳材料，被认为是具有战略意义的新材料，近年来迅速成为材料科学和凝聚态物理领域最为活跃的研究前沿。石墨烯被发现以后，理论推测和实验研究都证明其具有超高的强度、刚度以及特异的电学性质，在微纳米机电系统(M/NEMS)、纳米复合材料等领域有着广阔的应用前景，这迫切要求对石墨烯的基本力学性能和变形机理有更深入的了解。　　 由于石墨烯发现时间短，而且其结构独特，为原子厚度平面层状纳米材料，目前，有效的试验研究方法少，难度大，数值模拟方法成为相对更为有效的研究手段。本文采用分子动力学方法，对石墨烯的力学性能以及变形行为进行了研究。分子动力学方法通过原子间相互作用势，建立原子的牛顿运动方程，通过求解原子的运动轨迹获得石墨烯结构的变形行为。分子动力学方法可以通过计算机模拟再现石墨烯在各种真实环境中的动态变化过程，提供碳原子的运动及碳碳键的断裂等动态行为的相关细节，从而揭示石墨烯在外载作用下的微观变形机理。分子动力学方法对于研究石墨烯的力学性能及其温度和应变率相关性方面具有不可替代的优势。　　 本文采用分子动力学方法分别研究了理想的完美无缺陷石墨烯和含典型原子缺陷石墨烯的力学性能和变形行为。由于石墨烯具有各向异性特性，本文分别对扶手椅型(Armchair)和锯齿型(Zigzag)石墨烯进行了研究。　　 对于完美无缺陷的石墨烯，研究了其在自然状态下的驰豫性能，着重研究了不同尺寸石墨烯的基本力学性能，得到了石墨烯的应力-应变演化关系，分析了石墨烯的拉伸破坏变形机制，重点研究了石墨烯拉伸力学性能的温度相关性和应变率相关性。　　 通过对石墨烯的驰豫性能研究，发现石墨烯表面不完全平整，边缘处出现明显的波纹状褶皱。因此，对于有些学者采用的分子结构力学方法，由于没有考虑石墨烯不平整性的影响，所得到的结果的精度有待进一步研究。　　 研究还发现石墨烯薄膜的拉伸力学性能对尺寸并不敏感，模拟得到石墨烯的强度高达170-200GPa，杨氏模量高达1TPa。石墨烯在常温静载拉伸作用下，薄膜边缘六角元胞首先转变为五角元胞形成缺陷，随着应变增大缺陷增多，碳碳键逐渐断裂，最终导致薄膜破坏。　　 石墨烯的拉伸力学性能对温度和应变率均有较强的依赖性。两种不同手性石墨烯的杨氏模量、抗拉强度、拉伸应变均随温度的升高而显著减小，石墨烯薄膜力学性能的各向异性也受温度的影响。石墨烯的拉伸力学性能存在一个临界应变率，大约为5×1091/s。在该临界应变率以下，抗拉强度几乎与应变率无关，拉伸过程经历了一次强化阶段，而在临界应变率以上，抗拉强度随应变率的增大而增大，拉伸过程经历了二次强化。在不同的应变率下，石墨烯薄膜具有不同的拉伸破坏变形机制。在低应变率下，石墨烯沿主断裂带断裂破坏，而在高应变率下，形成了缺陷簇，具有非晶化特征。　　 对于含原子缺陷的石墨烯，分别研究了原子空位缺陷、增原子缺陷和典型的拓扑缺陷(SW缺陷)对石墨烯力学性能及变形机制的影响。研究发现，某些原子缺陷的存在在一定程度上降低了石墨烯的拉伸强度和拉伸应变(对应拉伸强度)，并影响其破坏变形机制。　　 本文在石墨烯力学性能的研究领域给出了大量首次发表的研究成果，对于揭示石墨烯的力学响应规律具有重要意义，有助于推动石墨烯增强复合材料和各种纳米机械的研究应用。同时，加深和拓宽了关于原子厚度层状纳米材料变形和破坏的认识，具有一定的学术价值和潜在的应用参考价值。