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本文在传统剪滞理论和断裂力学的基础上对碳纳米管在复合材料中的增韧效果进行了多级分析和优化。研究表明，增长碳纳米管的长度或者增强碳纳米管与基体之间的界面都不一定能增加复合材料的断裂韧性。通过改变碳纳米管长度和化学键密度，使碳纳米管恰好从拔出转变为拔断时，碳纳米管的增韧效果最好。为了验证该结论，本文发展了原子尺度有限元与传统的有限元相结合的多尺度方法，对不同化学键密度的碳纳米管复合材料进行了数值模拟。在此基础上，本文提出了应用该理论指导碳纳米管复合材料制备的方法：观测断口上碳纳米管的拔出／拔断情况，调整碳纳米管长度和碳纳米管与基体之间的化学键密度，使大部分碳纳米管的失效模式即将从拔出转变为拔断时，增韧效果最优。